arquitetura microcontrolada programÁvel em tempo …

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO REAL APLICADA AO CONTROLE DE UM SERVOPOSICIONADOR PNEUMÁTICO por Celso Luís Teixeira Dissertação para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Porto Alegre, Junho 2020

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Page 1: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO REAL

APLICADA AO CONTROLE DE UM SERVOPOSICIONADOR PNEUMÁTICO

por

Celso Luís Teixeira

Dissertação para obtenção do Título de

Mestre em Engenharia

Porto Alegre, Junho 2020

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ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO REAL

APLICADA AO CONTROLE DE UM SERVOPOSICIONADOR PNEUMÁTICO

por

Celso Luís Teixeira

Tecnólogo em Automação Industrial

Licenciatura em Física

Dissertação submetida ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, PROMEC,

da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos

requisitos necessários para a obtenção do Título de

Mestre em Engenharia

Área de Concentração: Processos de Fabricação

Orientador: Prof. Dr. Eduardo André Perondi

Aprovada por:

Prof. Dr. Herbert Martins Gomes, UFRGS

Prof. Dr. Guilherme de Oliveira Kunz, Unioeste

Prof. Dr. Antônio Carlos Vardiero, UFSC

Prof. Dr. Fernando Marcelo Pereira

Coordenador do PROMEC

Porto Alegre, 18 de Junho de 2020

Page 3: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

iii

“Lute com determinação, abrace a vida com paixão,

perca com classe e vença com ousadia, porque o

mundo pertencente a quem se atreve e a vida é

muito bela para ser insignificante”. Charles Chaplin

Page 4: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

iv

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por me dar saúde, força, sabedoria e iluminação nos momentos

difíceis.

A minha esposa Solange, pela dedicação, apoio incondicional, desprendimento,

paciência, carinho, força e confiança ao longo dos anos. Sem seu apoio e incentivo este

trabalho não seria realizado.

A minha filha Lívia Helena, pela incansável paciência nos meus momentos de

ausência e por tornar a minha vida mais completa.

Ao meu orientador, professor Eduardo Perondi, pela lucidez, expertise, apoio e

colaboração em diversas etapas deste trabalho.

A todos meus professores, que contribuíram com seus vastos conhecimentos em

grande magnitude para o meu crescimento pessoal e profissional.

Aos funcionários do Laboratório de Mecatrônica e Controle da Universidade Federal

do Rio Grande do Sul (LAMECC), Eduardo Basso e Eder Dorneles pelo auxilio técnico,

colaboração e amizade.

Aos colegas de pós-graduação, em especial para Jusoan Lang Mór, Vinicius

Bordignon, Leandro Tognon e Arivelto Fialho, por toda amizade, troca de conhecimentos,

apoio, parceria, acolhimento e pelas palavras de incentivo.

A todos os meus colegas de trabalho e de profissão pelo apoio, força e incentivo, em

especial a Edison Dachi e Anselmo Rafael Cukla.

Todos meus amigos, familiares e irmão, que de alguma forma participaram desta

conquista, que estiveram presentes nas horas boas e ruins, que demonstraram apoio e que

entenderam todos os momentos de afastamento.

Page 5: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

v

RESUMO

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema eletrônico para controle de

servoposicionadores pneumáticos, baseado em sistemas de tempo real. Estes

servoposicionadores apresentam diversas características atraentes para utilização em áreas

como mecatrônica e robótica, como boa relação peso/potência, ausência de campos

magnéticos, baixa manutenção e fácil instalação. Porém, em razão de características altamente

não lineares relacionados à dinâmica dos gases e a efeitos de atrito, inerentes aos

componentes do sistema, seu uso é dificultado para atividades que exigem precisão de

posicionamento. O avanço da microeletrônica na construção de dispositivos com maior

capacidade de processamento, periféricos integrados e facilidade de programação tem

permitido a implementação de novos algoritmos e técnicas de controle sofisticadas, a fim de

contornar tais não linearidades. Este trabalho apresenta uma alternativa econômica para o

controle digital baseado em sistema de tempo real, a partir do uso de recursos de software

gratuitos e componentes de baixo custo agregado. Para validação da solução proposta, a

arquitetura desenvolvida foi utilizada para o controle de um servoposicionador pneumático,

na qual foram programados dois algoritmos: controle por modos deslizantes (Slide Mode

Control) e o controlador PID (proporcional, integral e derivativo). Os resultados

experimentais de avaliação da variação do tempo de execução do laço de controle e do

desempenho no seguimento de trajetórias polinomial e senoidal permitem aferir o

desempenho da arquitetura desenvolvida.

Palavras-chave: Controle de servoposicionadores pneumáticos; Arquitetura de controle;

Sistemas de tempo real; Controle microprocessado de sistemas mecânicos.

Page 6: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

vi

ABSTRACT

This work presents the development of an electronic system for the control of pneumatic

servo-positioners, based on real-time system approach. Pneumatic servo-positioners present

several attractive characteristics for their use in areas like mechatronics and robotics, such as

good weight/power ratio, absence of magnetic fields, low maintenance and easy installation.

However, due to highly nonlinear characteristics related to gas dynamics and friction effects,

inherent to the system components, its use is difficult for activities that require positioning

accuracy. The advancement of microelectronics in the construction of devices with greater

processing capacity, integrated peripherals and ease of programming has allowed the

implementation of new algorithms and sophisticated control techniques, in order to surpass

such non-linearities. Current work presents an economical alternative to digital control based

on a real-time system operation, by means of using of using free software resources and low-

cost components. To validate the proposed solution, the developed architecture was used to

control a pneumatic servopositioner, in which two algorithms were programmed: slide mode

control and PID controller (proportional, integral and derivative). The experimental tests of

evaluation of the of the control loop execution time variation and the performance in the

tracking control of polynomial and sine trajectories allow to evaluate the performance of the

developed architecture.

Keywords: Control of pneumatic servo-positioners; Control architecture; Real-time systems;

Microprocessed control of mechanical systems.

Page 7: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

vii

ÍNDICE

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 1

1.1 O Servoposicionador Pneumático .................................................................................... 2

1.2 O Controle Digital ............................................................................................................ 4

1.3 Objetivo Geral .................................................................................................................. 5

1.4 Objetivos Específicos ....................................................................................................... 5

1.5 Justificativa ...................................................................................................................... 6

1.6 Organização do Trabalho ................................................................................................. 6

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................ 7

2.1 O Estado da Arte .............................................................................................................. 7

2.2 Principais Componentes dos Sistemas Servopneumáticos ............................................ 11

2.2.1 Servoatuadores Pneumáticos .......................................................................................... 11

2.2.2 Servoválvulas Pneumáticas ............................................................................................ 12

2.2.3 Sensores / Transdutores .................................................................................................. 13

2.3 Controladores Digitais ................................................................................................... 16

2.3.1 Computadores Pessoais (PC) ......................................................................................... 16

2.3.2 Microcontroladores ........................................................................................................ 18

2.3.3 Processador Digital de Sinais (DSP) .............................................................................. 20

2.4 Comunicação de Dados .................................................................................................. 22

2.5 Técnicas de Controle Implementadas ............................................................................ 24

2.5.1 Controle Linear Proporcional-Integral-Derivativo (PID) .............................................. 25

2.5.2 Controle Robusto por Modos Deslizantes (SMC) ......................................................... 27

3 SISTEMAS DE CONTROLE EM TEMPO REAL .................................................. 30

3.1 Classificação de Sistemas de Tempo Real ..................................................................... 31

3.2 Tarefas e Políticas de Escalonamento ............................................................................ 32

3.3 Relações de Precedência e Exclusão e Mecanismos de Sincronização e Comunicação 35

3.4 Sistemas Operacionais de Tempo Real (RTOS) ............................................................ 37

3.4.1 RTAI / Xenomai ............................................................................................................. 40

3.4.2 QNX Neutrino ................................................................................................................ 41

3.4.3 FreeRTOS ...................................................................................................................... 42

4 IMPLANTAÇÕES EXPERIMENTAIS .................................................................... 44

Page 8: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

viii

4.1 Introdução ...................................................................................................................... 44

4.2 Descrição Geral do Sistema ........................................................................................... 45

4.3 Componentes .................................................................................................................. 46

4.3.1 Componentes do Sistema de Tratamento de Fluído ....................................................... 46

4.3.2 Componentes do Atuador Pneumático ........................................................................... 48

4.3.3 Sensores e Transdutores ................................................................................................. 51

4.3.4 Fonte de Tensão Elétrica ................................................................................................ 53

4.3.5 Microcontrolador ............................................................................................................ 55

4.3.6 Sistema de Aquisição de Dados ..................................................................................... 57

4.3.7 Comunicação USB ......................................................................................................... 62

4.3.8 Microcomputador ........................................................................................................... 63

4.3.9 Custos ............................................................................................................................. 63

5 ROTINAS COMPUTACIONAIS DO SISTEMA DE CONTROLE ...................... 64

5.1 Rotinas Computacionais para o Controlador Digital ..................................................... 64

5.1.1 Rotina de Controle ......................................................................................................... 65

5.1.2 Rotina de Envio de Dados via USB ............................................................................... 67

5.2 Configuração do Sistema Operacional e Organização das Rotinas Computacionais no

Controlador Digital ........................................................................................................ 68

5.3 Ambiente de Programação ............................................................................................. 69

5.4 Descrição do Ensaio Padrão ........................................................................................... 69

5.4.1 Controle PID .................................................................................................................. 69

5.4.2 Controle SMC ................................................................................................................ 71

5.4.3 Referências de Trajetória Utilizadas .............................................................................. 73

5.4.4 Compensação da Zona Morta da Servoválvula Proporcional ........................................ 75

6 RESULTADOS ............................................................................................................. 77

6.1 Tempo de Execução do Laço de Controle ..................................................................... 77

6.1.1 Controlador PID ............................................................................................................. 78

6.1.2 Controlador por Modos Deslizantes (SMC) .................................................................. 79

6.2 Resultados Obtidos no Seguimento de Trajetórias ........................................................ 80

6.2.1 Controle PID .................................................................................................................. 80

6.2.2 Controle por Modos Deslizantes (SMC) ........................................................................ 84

6.3 Discussões sobre os Resultados Obtidos........................................................................ 89

7 CONCLUSÕES ............................................................................................................ 91

Page 9: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

ix

7.1 Trabalhos Futuros........................................................................................................... 92

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 94

APÊNDICE A Circuito de Condicionamento de Sinais para o MCP3208 / ESP32 ... 103

APÊNDICE B Circuito Driver para Acionamento da Servoválvula ........................... 109

APÊNDICE C Custos de Aquisição de Componentes ................................................... 113

Page 10: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

i

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Esquema de um servoposicionador pneumático acoplado à carga externa ...... 3

Figura 1.2 Configuração de um sistema de controle digital ............................................... 4

Figura 2.1 Exemplo de cilindro pneumático de dupla ação sem haste ............................. 12

Figura 2.2 Esquema de funcionamento de uma válvula ................................................... 13

Figura 2.3 Sensor potenciométrico linear......................................................................... 15

Figura 2.4 Sensores de pressão......................................................................................... 15

Figura 2.5 ESP32 .............................................................................................................. 19

Figura 2.6 Pacote de dados protocolo USB ...................................................................... 23

Figura 2.7 Diagrama de blocos de um controlador PID ................................................... 26

Figura 2.8 Chattering gerado pelo chaveamento das leis de controle .............................. 28

Figura 2.9 Diagrama de blocos de um controlador por modos deslizantes ...................... 29

Figura 3.1 Escalonamento de tarefas ................................................................................ 34

Figura 4.1 Bancada de testes no LAMECC ..................................................................... 44

Figura 4.2 Esquema da bancada experimental ................................................................. 45

Figura 4.3 Unidade de tratamento de ar e representação esquemática do componente ... 47

Figura 4.4 Válvula direcional proporcional ..................................................................... 49

Figura 4.5 Cilindro atuador dupla ação sem haste ........................................................... 50

Figura 4.6 Régua potenciométrica.................................................................................... 52

Figura 4.7 Sensor de pressão ............................................................................................ 53

Figura 4.8 Fonte de tensão ajustável ................................................................................ 54

Figura 4.9 Microcontrolador ESP32 ................................................................................ 57

Figura 4.10 Diagrama de blocos do fluxo de sinais ........................................................... 58

Figura 4.11 Diagrama de blocos simplificado do condicionador de sinais ........................ 58

Figura 4.12 MCP3208 ........................................................................................................ 61

Figura 4.13 Diagrama de blocos do driver de potência desenvolvido ............................... 62

Figura 5.1 Distribuição Gaussiana de amostragens em um conversor AD. ..................... 66

Figura 5.2 Fluxograma das operações da tarefa de controle ............................................ 67

Figura 5.3 Fluxograma referente à tarefa de envio das informações ao computador ...... 68

Figura 5.4 Diagrama de blocos – controle PID ................................................................ 70

Figura 5.5 Diagrama de blocos – controle por modos deslizantes ................................... 72

Page 11: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

ii

Figura 5.6 Trajetória de referência senoidal ..................................................................... 73

Figura 5.7 Trajetória de referência polinomial ................................................................. 74

Figura 6.1 Tempos de ciclos de controle e taxas de ocupação de processadores para o

controlador PID ............................................................................................... 78

Figura 6.2 Tempos de ciclos de controle e taxas de ocupação de processadores para o

controlador por Modos Deslizantes ................................................................ 79

Figura 6.3 Seguimento de posição para o controle PID com referência senoidal ............ 80

Figura 6.4 Erros de seguimento de trajetória para o controle PID com referência

senoidal ........................................................................................................... 81

Figura 6.5 Sinal de controle aplicado à válvula de controle direcional gerado pelo

controlador PID para referência senoidal ....................................................... 81

Figura 6.6 Seguimento de trajetória para o controle PID com referência polinomial de

7ª ordem .......................................................................................................... 83

Figura 6.7 Erros de seguimento de trajetória para o controle PID com referência

polinomial ....................................................................................................... 83

Figura 6.8 Sinal de controle aplicado à válvula de controle direcional gerado pelo

controlador PID para referência polinomial ................................................... 84

Figura 6.9 Seguimento de posição para o controle por modos deslizantes com

referência senoidal .......................................................................................... 85

Figura 6.10 Erros de seguimento de trajetória para o controle por modos deslizantes

com referência senoidal .................................................................................. 86

Figura 6.11 Sinal de controle aplicado à válvula de controle direcional gerado pelo

microcontrolador para referência senoidal ...................................................... 86

Figura 6.12 Seguimento de posição para o controle por modos deslizantes com

referência polinomial de 7ª ordem .................................................................. 87

Figura 6.13 Erros de seguimento de trajetória para o controle por modos deslizantes

com referência polinomial .............................................................................. 88

Figura 6.14 Sinal de controle aplicado à válvula de controle direcional gerado pelo

microcontrolador para referência polinomial .................................................. 88

Figura A.1 Estágio para regulação de tensão elétrica ..................................................... 103

Figura A.2 Circuito de atenuação de sinais ..................................................................... 104

Figura A.3 Amplificador diferencial com rejeição de ruído em modo comum .............. 106

Figura A.4 Circuito filtro Butterworth implementado .................................................... 106

Page 12: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

iii

Figura A.5 Circuito de condicionamento de sinal para sensores de pressão................... 107

Figura A.6 Atraso no sinal pelo estágio de filtro ............................................................ 107

Figura A.7 Diagrama completo do condicionador de sinais ........................................... 108

Figura A.8 Esquema do regulador DC-DC ..................................................................... 109

Figura A.9 Isolação e amplificação do sinal gerado pelo microcontrolador ................... 110

Figura A.10 Circuito de potência em arranjo de amplificador classe AB ......................... 111

Figura A.11 Linearidade do sinal de saída (gráfico superior) amplificado em relação ao

sinal de entrada (gráfico inferior) ................................................................. 112

Page 13: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

iv

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Quadro comparativo entre diferentes protocolos de comunicação ................. 22

Tabela 4.1 Principais características do vaso de pressão .................................................. 47

Tabela 4.2 Principais características da unidade de tratamento de ar ............................... 48

Tabela 4.3 Principais características da servoválvula direcional ...................................... 49

Tabela 4.4 Principais características dos silenciadores .................................................... 50

Tabela 4.5 Principais características do cilindro de dupla ação ....................................... 51

Tabela 4.6 Principais características do transdutor de posição ......................................... 52

Tabela 4.7 Principais características do sensor de pressão ............................................... 53

Tabela 4.8 Principais características da fonte ................................................................... 54

Tabela 4.9 Características dos microcontroladores analisadas ......................................... 55

Tabela 4.10 Principais características do ESP32 ................................................................ 56

Tabela 4.11 Filtro de condicionamento de sinais implementado........................................ 59

Tabela 4.12 Características técnicas do MCP3208 ............................................................. 60

Tabela 5.1 Características do filtro digital para dados de posição.................................... 71

Tabela 5.2 Características do filtro digital para dados de velocidade e aceleração .......... 72

Tabela 6.1 Tempos de execução dos looping de controle em milissegundos................... 77

Tabela 6.2 Tempos de execução das tarefas do algoritmo PID em milissegundos .......... 78

Tabela 6.3 Tempos de execução das tarefas do algoritmo SMC em milissegundos ........ 79

Tabela 6.4 Relação dos resultados no erro de seguimento de trajetória ........................... 89

Tabela A.1 Características do amplificador operacional MCP6004 ............................... 105

Tabela A.2 Características do ampop LM324 ................................................................. 110

Tabela A.3 Custos dos componentes do controlador digital ........................................... 113

Page 14: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

v

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ABS Anti-lock Braking System

ACK Acknowledgment that the packet has been successfully received

AD/DA Analógico-Digital/Digital-Analógico

ADC Conversor Analógico-Digital

ADDR Address

AMP Assymmetric Multi-Processing

BLE Bluetooth Low Energy

CAN Controller Area Network

CCMR Common Mode Rejection Ratio

CI Circuito Integrado

CPU Central Processing United

CRC Cyclic Redundancy Checksums

DAC Conversor Digital-Analógico

DIN Deutsches Institut für Normung

D.O.S Disk Operating System

DMIPS Milhões de instruções por segundo

DSP Digital Signal Processing

DZC Dead Zone Compensation

ENDP Endpoint

FF FeedForward

FIFO First in-First out

FP Fixed Priority

HD Hard Disk

HMOS High Speed CMOS

HOST Hosting

I/O Input/Output

I2C Inter-Integrated-Circuit

IDE Integrated Developement Environment

IIR Infinite Impulse Response

IoT Internet of Things

Page 15: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

vi

IPC Inter-Process Communication

ISO International Organization for Standardization

ISR Interrupt Service Routine

LAMECC Laboratório de Mecatrônica e Controle

LSB Less Significant Bit

MCU Microcontrolador

MISRA Motor Industry Reliability Association

NAK Data cannot be received and should be retried

NYET Split transaction is not yet complete (not yet)

PID Proporcional-Integral-Derivativo

P.I.D. Product Identification

PVA Posição-Velocidade-Aceleração

POSIX Portable Operating System Interface

PWM Pulse With Modulation

RAM Random Acess Memory

RISC Reduced Instruction Set Computer

RM Rate Monotonic

ROM Read Only Memory

RR Round Robin

RS Recommended Standart

RTAI Real Time Application Interface

RTOS Real Time Operation System

RTS Real Time Systems

SI Sistema Internacional de Unidades de Medida

SMC Slide-Mode Control

SMP Symmetric Multi-Processing

SNR Signal to Noise Ratio

SO Sistema Operacional

SOPG Sistema Operacional de Propósito Geral

SOTR Sistema Operacional de Tempo Real

SPI Serial Peripheral Interface

STALL Packet in response to a setup packet

UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Page 16: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

vii

USB Universal Serial Bus

UCP Unidade Central de Processamento

WPA Wi-Fi Protected Access

WPS Wi-Fi Protected Setup

Page 17: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

viii

LISTA DE SÍMBOLOS

𝐹𝑎 Força de atrito, N

𝐹 Força, N

𝐹𝑒 Força Externa, N

𝐾𝑑 Ganho derivativo

𝐾𝑖 Ganho integral

𝐾𝑝 Ganho proporcional

𝑇𝑑 Tempo da constante derivativa

𝑇𝑖 Tempo da constante integral

𝑝1 Pressão na câmara 1, Pa

𝑝2 Pressão na câmara 2, Pa

𝑝𝑎𝑡𝑚 Pressão atmosférica, Pa

𝑝𝑠 Pressão de suprimento, Pa

𝑞𝑚1 Vazão mássica na câmara 1, kg/s

𝑞𝑚2 Vazão mássica na câmara 2, kg/s

𝑡0 Tempo inicial, s

𝑥𝑣 Deslocamento do Carretel Controlador da servoválvula, m

𝐴 Área do êmbolo, m2

𝑀 Massa, kg

𝑆 Superfície de Deslizamento

𝑈 Tensão, V

𝑞 Vazão, Pa

𝑡 Tempo, s

𝑢 Sinal de controle, V

𝑉(𝑚𝑎𝑥) Tensão máxima aplicada a válvula, V

𝑦 Posição da massa, m

𝑦(𝑡) Posição da massa requerida, m

𝑦𝑑(𝑡) Posição da massa requerida, trajetória senoidal, m

𝑦𝑑𝑝(𝑡) Posição da massa requerida, trajetória polinomial, m

Velocidade, m/s

Page 18: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

ix

Aceleração, m/s2

Ponto médio da trajetória, m

𝑦𝑚𝑎𝑥 Amplitude da trajetória, m

𝜀(𝑡) Erro, m

𝜑 Largura da camada limite, m

𝜔 Velocidade Angular, rad/s

Page 19: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

1

1 INTRODUÇÃO

Devido a diversas características, como a fácil disponibilidade e armazenamento, a

segurança, a facilidade de manutenção, a confiabilidade e a ausência de campos magnéticos

envolvidos, o ar comprimido é uma das fontes energéticas mais utilizadas no meio industrial.

A pneumática é o ramo da engenharia que estuda a aplicação de ar comprimido para converter

a energia disponível no fluído em escoamento em energia mecânica [Qiong e Jiao, 2011]. A

utilização da pneumática se configura como uma eficiente alternativa à eletricidade ou à

hidráulica em aplicações que requerem altas velocidades e média potência para a

movimentação de dispositivos industriais [Li et al., 2006].

Atuadores pneumáticos são amplamente utilizados em várias aplicações industriais,

particularmente naquelas que envolvem sistemas de manufatura, como pick and place,

manipuladores robóticos e máquinas de rebitagem [Salim et al., 2014]. Porém, a utilização da

pneumática é dificultada em aplicações específicas dentro das áreas da robótica e mecatrônica

em função do comportamento altamente não-linear relacionado à dinâmica dos gases no

interior das câmaras dos atuadores e a efeitos de atrito entre êmbolo e camisa do cilindro. Tais

fatores tornam o controle de sistemas de posicionamento pneumático uma tarefa bastante

difícil e limitam a aplicação dos sistemas pneumáticos, apesar de seus méritos [Hai-Peng e

Huang, 2013]. Em razão das características não lineares destes sistemas e a consequente

dificuldade da atuação de controladores convencionais, os dispositivos hidráulicos tiveram ao

longo dos anos maior empregabilidade na indústria. Este resultado implica em uma

subvalorização dos servoposicionadores pneumáticos, uma vez que o desempenho destes

dispositivos não deveria ser muito inferior ao de seus equivalentes hidráulicos, como

normalmente acontece [Mannetje, 1981 apud Sobczyk Sobrinho, 2009].

O avanço da microeletrônica e da informática somado ao advento de

controladores/processadores de baixo custo, flexíveis, de alta velocidade e com alto poder de

processamento computacional tem permitido aos pesquisadores o desenvolvimento de novas

técnicas de programação e utilização de recursos computacionais para implementação de

algoritmos sofisticados que minimizam os efeitos das não linearidades. Vieira, 1998, Perondi,

2002, Li et al., 2006 e Qi, Bone e Zhang, 2019, indicam a utilização de períodos de ciclo de

controle em ordem igual ou inferior a 1 ms para operação segura de dispositivos pneumáticos

em função das características dinâmicas dos atuadores. Para garantir o funcionamento

adequado do controlador programado, o tempo de resposta pré-definido a um evento (externo

Page 20: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

2

ou interno) deve ser garantido (ou seja, deve operar em tempo real) [Kunz, 2006]. Outras

publicações decorrentes da implementação de técnicas de controle a servoposicionadores

indicam a utilização de períodos de amostragem de 2 ms [Ning e Bone, 2005] e 1.8 ms

[Pandian et al., 1997], fato que corrobora com a necessidade de alto desempenho de

processamento computacional dos componentes de controle (hardware/software).

Equipamentos comerciais desenvolvidos com propósito de aplicação em dispositivos

pneumáticos como a dSPACE [Dsapce, 2019] e placas de E/S multifuncionais como a NI-

PCI-6221 [National Instruments, 2019], em função de seu alto valor de aquisição, permitem a

implantação de tais sistemas somente em um número reduzido de aplicações industriais.

A motivação deste trabalho é o desenvolvimento de um dispositivo de controle digital

para aplicação juntamente à servoposicionadores pneumáticos, com características de:

a) baixo custo;

b) desempenho de posicionamento considerado aceitável quando comparado aos

hidráulicos e elétricos;

c) operação em tempo real sob ciclo de controle em período de 1 ms e;

d) arquitetura de software flexível e com boa confiabilidade.

Para tanto, é necessária a estruturação de uma bancada contendo os dispositivos de

sensoriamento, processamento computacional e de atuação para implantação de estratégias de

controle tradicionais que permitam satisfazer tais premissas.

A fim de definir claramente o problema, as seções a seguir descrevem os principais

conceitos no tocante a controladores digitais e a servoposicionadores pneumáticos.

1.1 O Servoposicionador Pneumático

Atuadores pneumáticos são componentes responsáveis em transformar energia

pneumática em mecânicas, produzindo movimento [Moreira, 2012], sendo também o

elemento responsável pela aplicação da força em uma carga mecânica [Sobczyk Sobrinho,

2009]. Sua forma de acionamento é geralmente elétrica, hidráulica ou pneumática. Atuadores

pneumáticos são elementos mecânicos que, por meio de movimentos lineares ou rotativos,

transformam a energia cinética gerada pelo ar pressurizado e em expansão em energia

mecânica, produzindo trabalho [Fialho, 2007]. Quando um sistema é realimentado com a

posição (permitindo o controle da posição) ele é denominado servoposicionador pneumático

[Perondi, 2002].

Page 21: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

3

Um servoposicionador (também denominado seguidor) é um sistema que possibilita o

posicionamento de uma carga mecânica em uma localização desejada [Sobczyk Sobrinho,

2009], a qual pode ser fixa ou variar ao longo do tempo. O sistema representado na Figura 1.1

consiste de uma servoválvula direcional e um atuador pneumático de formato cilíndrico,

possuindo duas câmaras separadas pelo êmbolo acoplado à massa 𝑀. Servoposicionadores

pneumáticos são compostos basicamente por uma servoválvula que controla a vazão do ar na

direção de um cilindro cujo êmbolo está ligado à massa que se deseja posicionar [Kunz,

2006]. Utiliza-se o eixo coordenado 𝑦 para denotar o posicionamento da massa, que por sua vez

pode ser fixo ou variável no tempo, sendo a posição requerida representada pelo termo 𝑦(𝑡).

Figura 1.1 – Esquema de um servoposicionador pneumático acoplado à carga externa

[Adaptado de Perondi, 2002].

No esquema representado na Figura 1.1, a servoválvula é utilizada para controlar o

escoamento do ar sob pressão constante (𝑝𝑠), fornecida por uma fonte de suprimento externa.

Um deslocamento positivo (𝑥𝑣) do carretel da válvula provocado pela aplicação de uma

tensão elétrica (𝑢) sobre um solenoide (em válvulas de acionamento elétrico), permite a

conexão entre a pressão de suprimento (𝑝𝑠) e a câmara 1, ao passo que a câmara 2 é conectada

a atmosfera (𝑝𝑎𝑡𝑚). A vazão mássica (𝑞𝑚1) na câmara 1 ocorre devido à diferença entre a

pressão de suprimento (𝑝𝑠) e a pressão na câmara 1 (𝑝1); situação análoga à vazão mássica

(𝑞𝑚2) que decorre da diferença da pressão na câmara 2 (𝑝2) e a atmosfera (𝑝𝑎𝑡𝑚). A diferença

Page 22: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

4

das pressões 𝑝1 e 𝑝2 (𝑝1 tende a 𝑝𝑠 e 𝑝2 tende a 𝑝𝑎𝑡𝑚) no interior do cilindro produz uma

força 𝐹 que resulta no deslocamento positivo 𝑦(𝑡) do embolo, e consequentemente da massa

𝑀. Esta força pode ser modelada pelo equilíbrio dinâmico entre as forças, a partir da 2ª Lei de

Newton, conforme Equação 1.1:

𝑀𝑦 + 𝐹𝑎 + 𝐹𝑒 = 𝐴(𝑝1 − 𝑝2) (1.1)

onde 𝐹𝑎 é a força de atrito, 𝐹𝑒 é a força externa, 𝐴 é a área do êmbolo, 𝑦 é a aceleração da

massa e 𝐴(𝑝1 − 𝑝2) é a força resultante da diferença de pressão entre as câmaras 1 e 2.

1.2 O Controle Digital

Para controlar um sistema físico a partir de um controlador digital, o hardware de

controle deve receber medições do sistema, processá-las e enviar o sinal de controle para o

atuador que efetua a ação de controle. Normalmente a planta é analógica, o controle é

constante por partes e a ação de controle é atualizada periodicamente [Fadali e Visioli, 2013].

A Figura 1.2 representa o esquema clássico de um sistema de controle digital.

A precisão de movimentos em um sistema de seguimento de trajetórias exige a

utilização de dispositivos processadores capazes de executar operações computacionais de

aquisição e processamento de dados em um ciclo de controle, cujo período de tempo deve

estar adequado à dinâmica do sistema físico controlado. Castrucci e Sales, 1990, afirmam que

diminuindo o período de amostragem do sistema, o seu comportamento “tende” ao de

sistemas analógicos, mas isto implica em maiores custos de conversão e computação.

Figura 1.2 – Configuração de um sistema de controle digital [Adaptado de Fadali e Visioli,

2013].

Page 23: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

5

Embora tenha por desvantagem a exigência de bons conhecimentos em

desenvolvimento de firmware e/ou lógica digital por parte do programador/desenvolvedor, a

utilização de controladores digitais agrega inúmeras vantagens, como melhor imunidade a

ruídos, confiabilidade de execução controle em malhas complexas, comunicação entre

diferentes dispositivos, interfaces gráficas, flexibilidade para implementação de controladores

robustos baseados e estratégias de controle modernas, que por sua vez, permitem a

compensação das não linearidades observadas nos sistemas pneumáticos.

1.3 Objetivo Geral

O objetivo geral deste trabalho é o desenvolvimento e implementação de um

controlador eletrônico digital para o controle de um servoposicionador pneumático. Este

sistema deverá ser baseado no uso de um microcontrolador comercial de baixo custo, que

tenha operação de controle que utiliza os recursos disponíveis em sistemas operacionais de

tempo real de código aberto e gratuito e que possa ser programado (desenvolvimento de

firmware) a partir de ambiente de desenvolvimento integrado (IDE – Integrated Development

Environment) amigável.

1.4 Objetivos Específicos

Os principais objetivos específicos deste trabalho são:

a) estruturar e instrumentar com sensores de pressão e posição, uma bancada de

testes para um servoposicionador pneumático;

b) projetar e desenvolver interfaces eletrônicas (hardware) de condicionamento de

sinais para o microcontrolador, sob demanda do controle do servoposicionador;

c) analisar e validar ferramentas computacionais de sistemas em tempo real para

programação de estratégias de controle tradicionais;

d) realizar testes de validação da capacidade do sistema em garantir a manutenção

do tempo de execução do looping de controle para seguimento de trajetórias.

Page 24: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

6

1.5 Justificativa

Embora o presente trabalho não tenha por objetivo o desenvolvimento ou

aprimoramento de técnicas de controle avançadas para o controle de servoposicionadores

pneumáticos, a implantação de um controlador digital desenvolvido sob regras de sistema de

tempo real, baseado em algoritmos de controle tradicionais e de fácil programação, é

importante no tocante à ampliação das possibilidades da utilização de sistemas pneumáticos

em ambientes industriais.

1.6 Organização do Trabalho

Nos Capítulo 2 e 3 é apresentada uma revisão bibliográfica sobre os conhecimentos

teóricos necessários para o controle de servoposicionadores pneumáticos. O Capítulo 4 são

destacadas as implementações experimentais realizadas neste trabalho como o

desenvolvimento do hardware para implementação da bancada pneumática. No Capítulo

seguinte (5) é descrito o desenvolvimento de software em tempo real para aplicação de

estratégias de controle lineares e robusta. No Capítulo 6 são apresentados os resultados e

avaliação do desempenho dos algoritmos de controle desenvolvidos sob a interface do

controlador digital. Por final, no Capítulo 7 são apresentadas as conclusões e as propostas de

futuras implementações.

Page 25: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

7

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

O grande número de pesquisas na área de controle para servoposicionadores

pneumáticos reflete diretamente os avanços do desenvolvimento tecnológico ocorrido nas

últimas décadas. Este capítulo inicia com o estado da arte, onde se procura contextualizar o

presente trabalho quanto ao atual estágio do desenvolvimento de soluções para o controle

destes sistemas, a partir da apresentação de uma breve descrição dos trabalhos importantes

que empregam modelagem matemática, diferentes estratégias e arquiteturas de controle

(software e instrumentação). Posteriormente, é apresentada a fundamentação teórica referente

aos tópicos teóricos básicos para o entendimento dos capítulos seguintes.

2.1 O Estado da Arte

O objetivo geral do controle realimentado é a utilização do princípio de

realimentação para que a variável de saída de um processo dinâmico siga a variável de

referência desejada com precisão, independentemente da trajetória da variável de referência,

perturbações externas ou de qualquer outra alteração na dinâmica do processo [Franklin,

Powell e Emani-Naeini, 2013].

A maioria dos sistemas dinâmicos podem ser caracterizados por um conjunto de

equações diferenciais que representam o modelo matemático do sistema [Ogata, 1985]

podendo estas assumir muitas formas distintas, sendo que o modelo matemático envolve a

aplicação criteriosa de leis físicas e de julgamento de Engenharia para obtenção de um

conjunto de equações que irão (dentro de uma certa aproximação) descrever adequadamente

o comportamento do sistema [Felício, 2010]. Conforme Suzuki, 2010, todo sistema físico é,

em alguma medida, não-linear e difícil de obter um modelo que o represente por completo.

Por causa disto, utilizam-se hipóteses que, sem comprometer a eficácia do modelo

matemático desenvolvido, visam a simplificar a modelagem, diminuir o esforço do

processamento computacional e facilitar o entendimento do comportamento do sistema

físico. Felício, 2010, afirma que modelos mais simples geralmente produzem resultados

menos precisos, entretanto a imprecisão relativa de um dado modelo é aceita por conta da

contrapartida desejável, que é a obtenção rápida da visualização dos aspectos importantes

do sistema. Modelos relativamente compactos são também geralmente aconselhados nas

atividades de síntese de algoritmos de controle baseados em modelos, pois estes modelos

Page 26: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

8

permitem a programação dos mesmos em hardware de controle com menor desempenho e

disponibilidade de recursos (e, portanto, mais baratos).

Neste sentido, a modelagem matemática de servoposicionadores visando à aplicação

em controle é abordada por diferentes autores, geralmente baseada no equacionamento da

dinâmica da vazão mássica do gás comprimido através dos orifícios e da dinâmica do

subsistema mecânico, expressa por meio da Segunda Lei de Newton (considerando a

combinação de forças inerciais e de atrito). A modelagem das vazões pode ser obtida a

partir leis de conservação de energia ou da continuidade [Maré, Colin e Geider, 2000],

considerando usualmente condições isentrópicas no equacionamento do comportamento das

vazões mássicas de entrada e saída durante a atuação da válvula, e isotérmicas para

equacionamento das pressões nas câmaras de um atuador em função da vazão mássica e da

velocidade translacional do pistão [Kain, 1973; Scavarda, 1994 apud Maré, Colin e Geider,

2000; Virvalo, 1995; Locateli, 2011; Richter e Hurmuzlu, 2000]. Segundo Cukla, 2012, em

estratégias de controle baseadas em modelos, onde a precisão das dos mesmos torna-se

decisiva, para obtenção de um modelo próximo da realidade pode-se utilizar mapeamentos

estáticos tridimensionais empíricos da vazão mássica em relação às pressões e à abertura da

válvula em função do sinal de controle aplicado, como feito em Perondi, 2002. Ainda de

acordo com Cukla, 2012, polinômios de 2º ou 3º graus são usados para interpolação do

mapeamento estático e modelos matemáticos que utilizam essa abordagem para analisar o

comportamento dos gases no interior das câmaras forneceram resultados experimentais

aproximados aos das simulações computacionais baseadas nos modelos teóricos.

Em relação à utilização de estratégias de controle, os estudos realizados em

diferentes trabalhos demonstraram uma variedade de abordagens com relação à aplicação de

controladores baseados em técnicas lineares, como, por exemplo, a utilização do

controlador PID (proporcional, integral e derivativo) [Cukla, 2012; Gentile et al., 2002].

Conforme Sobczyk Sobrinho, 2009, controladores lineares são influenciados por variações

paramétricas e efeitos dinâmicos não modelados, constituindo isso em uma limitação muito

importante para a sua aplicação em sistemas de ordens elevadas e não lineares, como os

sistemas servopneumáticos. Com o objetivo de contornar estes problemas, algumas

aplicações de variações do controle linear podem ser observadas na bibliografia, como a

utilização de controlador PD (proporcional-derivativo) com Compensação de Histerese

[Chiu e Leung, 1988], ou de um Controlador PID não-linear (N-PID) [Salim et al., 2014].

Somam-se à utilização de estratégias não lineares, os trabalhos desenvolvidos para

Page 27: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

9

aplicação de Controle por Realimentação de Estados [Perondi; Guenter, 1999], Linearização

por Realimentação [Suzuki, 2010] e Realimentação de Estados com Compensação de Zona

Morta de válvula proporcional [Ning e Bone, 2005], Lógica fuzzy [Lara-Rojo et.al., 2001

apud Kunz, 2006; Najjari et al., 2014], Controle por Modos Deslizantes [Perondi e Guenter,

2000; Perondi, 2002; Pandian et al., 1997; Gyeviki et al., 2005] e controle por Redes

Neurais [Gervini, 2014; Gross e Rattan, 1997 apud Kunz, 2006].

Com relação à arquitetura de controle, diversos trabalhos apontam a utilização de

plataformas comerciais baseadas em Digital Signal Processing (DSP - Processador Digital

de Sinais, em português) de controle e aquisição, vinculada à plataforma de programação

em alto nível, como a dSPACE [Perondi, 2002; Suzuki, 2010; Locateli, 2011; Schlüter,

2018; Rad e Hancu, 2017]. Visando à implementação e utilização de hardware de controle e

aquisição alternativo, por motivos relacionados à redução de custos, compactação de

sistemas ou melhoria em componentes do sistema de controle, trabalhos como o de Kunz,

2006 e Rios, 2009 focaram a utilização de computadores formato IBM-PC1 como unidade

de processamento.

No trabalho de Kunz, 2006, um computador de baixo desempenho foi utilizado para

processamento de dados provindos de sensores de posição e de pressão, por meio de uma

interface AD/DA de aquisição de dados e circuito microprocessado dedicado, além de enviar

sinais analógicos de controle para uma servoválvula. Em conjunto com o sistema operacional

nativo do computador (GNU/Linux) foi utilizado um subsistema para operação de rotinas

programadas pelo usuário em tempo real, denominado Real Time Application Interface

(RTAI), conforme será descrito em detalhes na Seção 3.4.1 [RTAI, 2019]. Destaca-se neste

subsistema a ausência de interface gráfica, o que implica a necessidade de bons

conhecimentos em linguagem C por parte do programador para a implementação de rotinas

computacionais. A partir da execução de algoritmo para aquisição de dados com requisito

temporal para execução de laço de processamento determinado em 1 ms, foi possível a

construção de curvas estáticas experimentais para enchimento e para exaustão, referentes a

vazão e pressão nas câmaras do atuador pneumático, em função da tensão aplicada à

servoválvula e ao tempo, além da identificação do comportamento do atrito por imposição de

velocidades ao atuador pneumático.

Rios, 2009, utiliza no seu trabalho algoritmo de controle programado em linguagem C,

diretamente sobre o sistema operacional (DOS 6.2.2). A interface física é dada por três placas

1 Sigla para computadores pessoais.

Page 28: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

10

coletoras de dados para fechamento da malha de controle em uma aplicação de controle

realimentado de posicionamento em um robô cartesiano pneumático controlado por válvulas

solenoides rápidas. Considerando a proposta de composição de um equipamento de baixo

custo de implementação, um computador já obsoleto na época dos testes foi escolhido para a

execução de rotinas de controle (neste caso, controle por modos deslizantes) para cada um dos

eixos do robô (X, Y e Z). Em função da frequência de atualização de dados proporcionada

pelo computador ser de 1/13 avos de segundo, a utilização de placas de aquisição de dados

com frequência de aquisição em 4 kHz, interligadas à unidade de processamento (CPU) por

meio de protocolo RS4222 possibilitou a aquisição e dados com frequência adequada à

implementação. Os resultados de precisão de posicionamento dentro da faixa estabelecida

pela camada limite, na ordem de milímetros, demonstram a qualidade do desempenho do

sistema proposto.

Mais recentemente, Cukla, 2012, apresenta o desenvolvimento uma plataforma de

controle de um servoposicionador pneumático baseada em DSP-PIC para aquisição de

dados, processamento do algoritmo de controle e acionamento da válvula de controle

direcional para o controle de um servoposicionador pneumático linear. O desenho do

dispositivo controlador proposto neste trabalho engloba interfaces de condicionamento de

sinais para sensores e atuadores, além da utilização de um processador digital de sinais em

formato de circuito integrado, de baixo custo e adequada capacidade de processamento

computacional. Mesmo sem a utilização de sistemas de tempo real para garantia da rigidez

de temporizações de laço de controle, a comparação dos resultados de erro de seguimento

de trajetórias em diferentes referências, para duas diferentes estratégias de controle (neste

caso, PID e controle por modos deslizantes) implantadas também em uma plataforma

comercial (dSPACE), apresentam significativa similaridade em termos de comportamento

dinâmico do sistema em malha fechada. Observa-se também significativa semelhança

quanto aos sinais de controle gerados pelas duas diferentes plataformas. Os resultados

obtidos correspondentes ao erro máximo de regime e dinâmico de posicionamento em

relação à referência (na ordem de centímetros) validam a utilização de DSP para a aplicação

em controle de sistemas pneumáticos.

2 Especifica características elétricas para transmissão de sinais digitais.

Page 29: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

11

2.2 Principais Componentes dos Sistemas Servopneumáticos

O sistema servopneumático de controle de posição é um sistema que possibilita o

posicionamento de uma carga mecânica a partir do movimento de um aturador em função das

diferenças das pressões em suas câmaras [Locateli, 2011]. Geralmente, o sistema (clássico) é

constituído por um servoatuador pneumático, uma válvula de controle direcional,

sensores/transdutores que medem a posição do cursor do atuador e opcionalmente as pressões

internas das câmaras, além de um controlador. Nos tópicos a seguir são descritos os

componentes mais importantes deste sistema.

2.2.1 Servoatuadores Pneumáticos

Atualmente, os servoatuadores pneumáticos desempenham um papel fundamental no

segmento industrial, sendo amplamente utilizados para movimentos de partes móveis de

máquinas, manipulação ponto-a-ponto de materiais e peças e em dispositivos de segurança,

dentre diversas outras aplicações. São dispositivos que transformam a energia do ar ou gás

sob pressão no interior das câmaras em energia mecânica de movimento (energia cinética).

Sob as mais diversas especificações de carga e forma, os atuadores pneumáticos são

construídos de acordo com normas técnicas DIN 243353 e ISO 6431

4, que garantem a

segurança no manuseio e utilização [Parker, 2019].

No tocante à forma de operação destes dispositivos, os mesmos se dividem em três

segmentos: atuadores lineares (produção de movimento linear), atuadores rotativos (através de

momento torsor contínuo) e oscilantes (momento torsor limitado por posições angulares

definidas). Os atuadores lineares se diferem com relação à sua forma de atuação: atuadores

simples ação ou ação unidirecional, cujo movimento de ação é controlado a partir de uma

válvula direcional com aplicação de ar sob pressão em uma única câmara, produzindo

movimento em um único sentido, seja para o avanço ou retorno, sendo o movimento de retorno

à posição de descanso realizado por meio de uma mola de reação interna ao componente; e

atuadores de dupla ação, como os utilizados nos trabalhos desenvolvidos por Kunz, 2006 e

Cukla, 2012, com movimentos de avanço e retorno controlados por uma válvula direcional pela

aplicação de ar sob pressão em uma das duas câmaras do cilindro individualmente.

3 Pneumatic equipment; pneumatic cylinders, double acting, mounting dimensions, requirements.

4 Substituída pela ISO 15552:2004 - Potência de fluido pneumática - Cilindros com suportes removíveis, séries

de 1 000 kPa (10 bar), furos de 32 mm a 320 mm - Dimensões básicas, de montagem e de acessórios.

Page 30: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

12

Figura 2.1 – Exemplo de cilindro pneumático de dupla ação sem haste [Adaptado de Festo,

2019].

Os atuadores pneumáticos lineares são apresentados sob diversas formas de

construção, adaptando-se à necessidade de operação, destacando-se: atuadores com haste

(com ou sem amortecimento), de haste passante, de membrana, tandem ou duplex, duplex

geminado, telescópico, dentre outros.

Servoatuadores sem haste (Figura 2.1) são utilizados para cursos de movimentação de

carga relativamente longos e/ou quando é identificada a possibilidade de flambagem da haste

de um atuador em operações de aplicação de força ou posicionamento.

Também são utilizados em situações de restrição de espaço, ou seja, nas situações em

que a haste apresentaria interferência com relação aos demais componentes do sistema

mecânico.

2.2.2 Servoválvulas Pneumáticas

Os sistemas servopneumáticos de controle de posição são, na sua grande parte,

acionados por meio de válvulas proporcionais direcionais. Podem ser citadas diversas

aplicações para estes sistemas, como a manipulação e movimentação de materiais, na

robótica, nas linhas de montagem, dentre outros [Virvalo 1995 apud Locateli, 2011].

As válvulas de controle proporcionais são elementos destinados para comandos de

sistemas de alta performance, em função de sua rápida resposta e precisão de controle [Fialho,

2007]. A servoválvula proporcional é projetada para efetuar um controle preciso da vazão de

ar que passa às câmaras do cilindro, através de um sinal de tensão ou corrente aplicado à

válvula [Saravanakumar, 2017]. Basicamente, o funcionamento de uma válvula proporcional

consiste na conversão de um sinal analógico (de corrente ou tensão) em uma determinada

vazão proporcional ao sinal elétrico de entrada.

Page 31: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

13

A Figura 2.2a mostra o esquema de funcionamento de uma válvula direcional 5 vias e

3 posições, que permite o controle da direção da vazão e a curva característica (praticamente

simétrica, porém não linear) de vazão q (%) pela tensão elétrica aplicada U (V).

(a) Representação simbólica da válvula

proporcional

(b) Curva característica das válvulas

proporcionais de controle de vazão

Figura 2.2 – Esquema de funcionamento de uma válvula [Adaptado de Fialho, 2007; Festo,

2019].

O gráfico da Figura 2.2b indica a posição de repouso da válvula (vazão nula em

função do bloqueio das vias) quando alimentada com 5 V. Com a aplicação de um sinal de

tensão em rampa de 5 a 0 V, ocorre a abertura da válvula para a conexão dos pontos de P

(pressão) para o ponto de consumo B (vazão proporcional ao sinal até seu valor máximo) ao

passo da conexão do ponto A para R (atmosfera).

De forma análoga, a aplicação de sinal em rampa de tensão de 5 a 10 V ocasiona a

abertura da válvula para a conexão dos pontos de P (pressão) para o ponto de consumo A e a

conexão do ponto B para R (atmosfera).

2.2.3 Sensores / Transdutores

De acordo com Thomazini e Albuquerque, 2005, sensor é o termo empregado para

designar dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente. Os sensores são

elementos que executam a conversão de uma grandeza medida (pressão, temperatura, vazão,

por exemplo) em uma grandeza elétrica (corrente ou tensão).

Um transdutor é um dispositivo utilizado para transformar uma forma de energia em

outra, podendo essa segunda ser efetivamente utilizada por um dispositivo de controle.

Page 32: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

14

Figliola e Beasley, 2011, afirmam que um transdutor converte informações obtidas de um

sinal detectável. O sinal pode ser mecânico, elétrico, óptico ou pode assumir qualquer outra

forma que possa ser gravada de maneira significativa.

2.2.3.1 Sensores de Posicionamento

Para o controle da posição de um atuador pneumático é necessário monitorar em

tempo real a posição do pistão para fechar o ciclo de controle [Kunz, 2006]. Neste sentido,

diversas tecnologias foram desenvolvidas para o sensoriamento de posição linear. Nos

trabalhos listados na bibliografia, as tecnologias mais utilizadas são a da régua

potenciométrica e da régua óptica (encoder óptico). Em trabalhos como os de Ning e Bone,

2005; Pandian et al., 1997 e Kunz, 2006, utilizou-se encoder óptico para obtenção da posição

do atuador pneumático. Basicamente, tais componentes são subdivididos em duas categorias:

os encoders absolutos - que indicam a posição real (absoluta) do objeto a partir de uma

referência, sendo à saída do sensor um sinal digital em padrão de código binário; e os

encoders incrementais, que indicam a posição relativa ao ponto de ativação do sensor

(encoder é zerado a cada desligamento), sendo o sinal de saída um trem de pulsos, que

necessita de um contador digital de pulsos para determinação do sentido do movimento e a

distância total percorrida. Dentre as vantagens da utilização deste sensor, destacam-se a

obtenção valores de velocidade e posição de um deslocamento linear em formato digital;

destaca-se como desvantagem o alto custo do componente. No caso de sensores rotativos

existe a necessidade de transformação de movimento translacional em torcional, e, no caso de

sensores ópticos lineares, existe, por sua vez, a necessidade de uma estrutura de base com alta

rigidez e um alinhamento de alta precisão com relação ao deslocamento translacional do pistão.

Sensores potenciométricos lineares, como os utilizados nos trabalhos de Cukla, 2012,

Perondi, 2002 e Vieira, 1998, funcionam como um potenciômetro eletroeletrônico deslizante,

o qual proporciona um sinal de saída de tensão proporcional à posição do cursor acoplado ao

pistão (princípio da divisão de tensão resistiva). A principal desvantagem da utilização deste

componente implica na necessidade de técnicas de conversão analógico-digital (conversão

ADC) passíveis de ruídos e distorções provindos da perda de sinal (durante o processo de

quantização numérica), sendo que as vantagens englobam o reduzido custo quando

comparado aos encoders ópticos (estimado em torno de 30% do valor de um encoder

absoluto) e a não necessidade de conjunto de acoplamentos por polia - correia ao atuador

pneumático. A Figura 2.3 apresenta um sensor potenciométrico linear.

Page 33: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

15

Figura 2.3 – Sensor potenciométrico linear [Adaptado de Festo, 2019].

2.2.3.2 Sensores de Pressão

Os sensores de pressão utilizados em aplicações industriais podem ser fabricados a

partir de diferentes técnicas que medem a força aplicada sobre uma unidade de área. Tais

tecnologias podem envolver a utilização de células de carga (strain gauges), cristais

piezoresistivos e propriedades elétricas como a capacitância, por exemplo.

Segundo Thomazini e Albuquerque, 2005, transdutores de pressão piezoelétricos têm

seu princípio de funcionamento baseado nas propriedades piezoelétricas do cristal de quartzo

que, quando deformados elasticamente, geram um potencial elétrico em seus terminais por

meio de determinado plano cristalográfico (disco de quartzo). Ainda de acordo com os

autores, a tensão elétrica fornecida por este dispositivo é muito pequena (1𝑚𝑉 por 𝑘𝑔/𝑐𝑚2),

por isso o elemento piezoelétrico é sempre conectado à um amplificador eletrônico. A Figura

2.4 apresenta alguns modelos de sensores de pressão industriais.

Figura 2.4 – Sensores de pressão [Adaptado de Wika do Brasil, 2019].

Page 34: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

16

2.3 Controladores Digitais

A utilização de sistemas digitais para implantação de controle de processos tem

ganhado amplo espaço frente aos controladores analógicos tradicionais em função de diversos

aspectos, dentre os quais se destacam a flexibilidade de programação, que facilita o

desenvolvimento; a possibilidade de reutilização de recursos e o uso de interface amigáveis

com usuário. Segundo Carvalho, 2000, a estrutura de um sistema controlado por computador

não difere daquela de um controlador analógico. Nise, 2002, afirma que em muitos sistemas

modernos, o controlador (ou compensador) é um computador digital.

2.3.1 Computadores Pessoais (PC)

A partir da década de 1980, a comercialização em escala global dos primeiros

computadores pessoais em formato IBM-PC implementados sob arquitetura Reduced

Instruction Set Computer (RISC - computação com conjunto reduzido de operações)

culminou na popularização dos sistemas de informática em larga escala, atingindo também o

âmbito industrial. A possibilidade de implantação de sistemas sofisticados de aquisição,

monitoramento e gerenciamento de dados a partir de computadores (unidades de controle

local) que interagem diretamente com o processo, interligados a uma unidade de

processamento central (estação de operações) em um barramento de dados comum (rede –

bus) e com protocolo de comunicação de alta velocidade, deu origem à arquitetura

denominada controle distribuído, que, conforme Gordillo, 2004 apud Cukla, 2012, é uma

arquitetura recomendada para supervisão de plantas em diferentes processos.

Diversos trabalhos com o objetivo de controle de posicionamento apontam para a

utilização de sistemas baseados em microprocessamento através de computadores pessoais

(compatíveis com formato IBM-PC). Por exemplo, Rios, 2009, utiliza um computador como

unidade central de controle acoplado a uma interface eletrônica de potência (driver) para

acionamento de válvulas direcionais pneumáticas do tipo ON-OFF, objetivando o controle

de posição em um robô cartesiano pneumático. Conforme já comentado, a programação é

realizada diretamente no sistema operacional (D.O.S. 6.22) com resolução temporal de 77

milissegundos. Ning e Bone, 2005, utilizam um computador para execução de dois

diferentes algoritmos de controle (PVA+FF+DZC, sigla de controle

pressão/velocidade/aceleração, realimentação de estados e compensação de zona-morta,

Page 35: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

17

respectivamente e SMC, sigla de controle por modos deslizantes ou sliding mode control),

programados em linguagem C em laço de controle com intervalo de tempo de 2 ms,

acoplado a uma interface eletrônica (driver) de controle para uma servoválvula

proporcional, a fim de comparação dos resultados de precisão de posicionamento de um

cilindro pneumático orientado na direção vertical, sob diferentes aplicações de carga

mecânica. Em Pandian et al., 1997, um algoritmo de controle baseado em modos deslizantes

é implementado em um computador IBM-PC compatível programado em linguagem C com

laço de controle com intervalos de 0,18 ms.

A partir da década de 2000, formatos de computadores miniaturizados de custo

reduzido, chamados de singleboards, dotados de sistema operacional livre (baseado em kernel

Linux) e com poucos recursos em comparação a um computador formato IBM-PC, porém

com grande capacidade de processamento computacional (múltiplos núcleos de

processamento) e periféricos comuns aos de microcontroladores para manipulação de

dispositivos (entradas/saídas digitais, interfaces de comunicação, conversão analógico-digital,

Pulse With Modulation (PWM)) ganharam espaço como unidade de processamento

computacional no desenvolvimento de sistemas de controle. Com o objetivo de determinar

das características não lineares do atrito em aturadores pneumáticos, Felix, 2018, utiliza uma

placa em formato de singleboard denominada Raspberry Pi modelo 3 como interface

eletrônica para aquisição de dados. No trabalho de Deimel, Radke e Brock, 2016, é utilizada

uma unidade de controle de tempo real em placa única (singleboard), chamada Beaglebone

Black, para o controle de manipuladores robóticos pneumáticos do tipo soft-hand com ciclo

de controle de 2 ms, análogos a mãos humanas, utilizados em robôs colaborativos para

manipulação de objetos.

No presente trabalho, a possibilidade de implantação de uma arquitetura de controle

baseada em singleboard como unidade de processamento foi avaliada e testada; porém as

diversas incompatibilidades relacionadas às versões de sistemas operacionais destas placas

com versões de kernel de sistema operacional de tempo real dedicado (Seção 3) em relação

às versões de hardware disponíveis hoje no comércio nacional inviabilizaram tal opção.

Assim, em trabalhos futuros, dependendo da atualização do mercado nacional, esta

possibilidade deverá ser considerada para seguimento do desenvolvimento de uma

plataforma em tempo real adequada ao controle de servossistemas pneumáticos.

Page 36: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

18

2.3.2 Microcontroladores

A escolha de uma solução que envolva controle digital pode ser muito distinta, de

acordo com o resultado esperado. Fatores impactantes, como a adequação de custos de

projeto, capacidade de processamento computacional em operação com restrição temporal ou

diminuição/miniaturização do hardware necessário, devem, geralmente, ser considerados. Os

microprocessadores são geralmente utilizados em aplicações de alto desempenho onde o custo

e tamanho do hardware não são críticos [Kunz, 2006]. A tendência natural no

desenvolvimento de projetos com soluções que englobem em um mesmo circuito integrado

(CI) diversas funcionalidades necessárias ao projeto, tornam os microcontroladores uma

alternativa atraente dentre as diversas opções de hardware disponíveis.

Um microcontrolador é, basicamente, um computador de um único CI, proveniente da

evolução tecnológica dos circuitos lógicos digitais em função do aumento de sua complexidade

e necessidade de miniaturização. O dispositivo pode ser programado a partir de um conjunto de

operações organizadas e sequenciais para execução de funções específicas voltadas ao controle;

dentre elas, destaca-se o controle de periféricos e dispositivos físicos. Segundo Haupt e Dachi,

2016, microcontroladores são circuitos integrados que contêm funções de unidade central de

processamento (UCP), memória, entrada e saída de dados, além de possuírem incorporados à

sua arquitetura interna, memória (RAM e ROM) e alguns periféricos (interface serial, PWM,

contadores, temporizadores, etc.). A velocidade de clock é geralmente na faixa de 4 a 48 MHz,

as quais, embora muito menores do que a de processadores digitais encontrados em

computadores pessoais é adequada para diversas aplicações de controle, pois muitas vezes

nestas aplicações não é necessária uma grande capacidade de processamento, precisando apenas

da utilização de instruções simples que executem operações rapidamente.

Para suprir exigências de projetos, existe uma ampla gama de microcontroladores

disponíveis no mercado, diferenciando-se principalmente no número de entradas e saídas

Input/Output (I/O) e pelos recursos periféricos do dispositivo [Oliveira Neto, Monteiro e

Queiroga, 2012]. Um dos primeiros microcontroladores comerciais de uso genérico, o 8051,

fabricado originalmente pela Intel® no início da década de 1980 é um controlador de 40 pinos

e tecnologia HMOS, dotado de um CPU de 8 bits de arquitetura RISC, com velocidade de

operação de 12 MHz, 4 KB de memória de programa e 128 bytes de memória de dados, cujo

encapsulamento agrupa recursos como conversores analógico-digital e digital-analógico

(AD/DA), geradores de PWM, 4 portas de comunicação serial, timers internos de 16 bits,

Page 37: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

19

além das tradicionais saídas e entradas digitais. Este componente passou por diversos

aprimoramentos desde a sua criação, podendo ser encontrado atualmente em versões

comerciais com velocidades de operação de até 60 MHz e com maior capacidade de memória.

Outros fabricantes, como a Microchip®, Zilog

®, Atmel

® (atualmente, é subsidiária da

Microchip), Philips® e Motorola

® também dispõem de componentes com o mesmo propósito,

mais avançados tecnologicamente e com operação de alto desempenho, que com barramentos

de 16, 32 e até 64 bits, somado a recursos extras como conversores ADC de até 24 bits,

interface serial e Universal Serial Bus (USB), suporte à protocolos I2C, Controller Area

Network (CAN) e Serial Peripheral Interface (SPI), além de whatchdog timers, combinam

baixo custo e grande disponibilidade comercial como atrativos para sua utilização.

Nos últimos anos, o desenvolvimento de microcontroladores tipo multi-core, que

possuem em um mesmo encapsulamento dois ou mais núcleos (CPU) para

multiprocessamento assimétrico (AMP) ou simétrico (SMP) emergiram associados ao

crescente desenvolvimento de aplicações que envolvem execução de rotinas periódicas, com

processamento intenso de dados e baixos tempos de resposta, além dos limites físicos

relacionados ao desempenho, como densidade de potência ou limitações para aumento de

frequência de operação. Estes modelos de microcontroladores realizam execuções de rotinas

síncronas, de forma direcionada e paralela, de tarefas distintas que podem ser programadas de

acordo com a especificidade de cada arquitetura de núcleo. Neste contexto, se destaca o

microcontrolador dual-core baseado em arquitetura Harvard, da fabricante Espressif Systems

modelo ESP32 (Figura 2.5), que alia baixo consumo de energia, dimensões reduzidas e baixo

custo de aquisição com amplos recursos periféricos integrados como Wi-fi, Bluetooth, 14

portas ADC, frequência de clock em 240 MHz (além dos recursos descritos na Seção 4.3.5).

Figura 2.5 – ESP32 [Adaptado de Espressif, 2019].

Page 38: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

20

Este dispositivo é amplamente utilizado em desenvolvimento de aplicações em

internet of things (IoT). A sincronia de operação de tarefas dos microcontroladores com mais

de uma CPU (multi-core) utiliza um sistema de memória compartilhada, na qual as

informações são inseridas em fila, podendo ser acessadas em qualquer núcleo de maneira

independente. Este mecanismo de troca de mensagens por fila, denominado inter-processor

messagning (IPC) é característico de sistemas operacionais de tempo real (Seção 3.3),

comumente utilizado para implementação de rotinas operacionais nestes componentes.

Embora uma solução baseada em microcontroladores possa ser considerada

conservadora sob o ponto de vista de inovação, a escolha por estes dispositivos conduz a

enormes vantagens do ponto de vista operacional, dentre as quais se destacam o baixo custo e

consumo de energia, a facilidade de programação, possibilidade de reprogramação de

firmware, redução da necessidade de desenvolvimento de circuitos para componentes

eletrônicos auxiliares, além da facilitada manutenção. O uso de microcontroladores na área de

controle consiste em uma solução adequada aos servoposicionadores pneumáticos devido à

sua flexibilidade, miniaturização de componente e capacidade adequada para algumas tarefas

específicas [Cukla, 2012]. Tais equipamentos, quando implementados como controladores

dedicados, atuam isoladamente como uma única central de processamento e realizam, além

do gerenciamento do sistema, operações pré-programadas de controle (realimentação,

decisões de segurança, etc.).

Dentre os trabalhos pesquisados no âmbito de controle de servoposicionadores a partir

de microcontroladores, se destaca o trabalho de Lara-Rojo et al., 2001 apud Kunz, 2006, onde

é utilizado um microcontrolador do fabricante Microchip, modelo PIC16C711 na

implementação de um controlador baseado em técnica de controle baseada em lógica fuzzy.

No trabalho de Najjari et al., 2014, é utilizado um microcontrolador do fabricante Atmel AVR

modelo ATMEGA32 para execução da tarefa de posicionamento do cursor de um cilindro

pneumático de dupla ação, a partir do chaveamento por PWM (pulse with modulation) em

válvulas de controle direcional de duas vias por duas posições, sob duas diferentes estratégias

de controle: PID e lógica fuzzy.

2.3.3 Processador Digital de Sinais (DSP)

Digital signal processor (DSP) são microprocessadores de arquitetura otimizada para

o processamento, manipulação matemática de sinais digitais e gerenciamento de dados com

Page 39: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

21

elevadas velocidades, oferecendo capacidades de conversão de sinais (analógico-

digital/digital-analógico) com precisão. Estes componentes, assim como os

microcontroladores, são compostos de uma CPU, memória e periféricos (interfaces de

comunicação, conversores ADC, pinos de I/O) agrupados em um único CI. A estrutura interna

é baseada na topologia Harvard modificada possuindo barramentos internos independentes

para programas e dados de entrada/saída, permitindo acesso simultâneo a instruções de

programa e dados, dobrando o fluxo de informações para aplicações matemáticas,

possibilitando realizar múltiplas ações em um mesmo ciclo de operação [Silva, 2008].

As aplicações típicas de DSP consistem em situações que exigem intensa execução de

operações numéricas de alto nível, como equações matriciais, acumulação de valores parciais

resultante de múltiplos produtos, além de operações de tempo real que requerem

processamento permanente de sinais de entrada e saída, como equipamentos de áudio e vídeo

com redutores de ruído, equipamentos de telecomunicações, de diagnóstico médico e em

sistemas de controle flexíveis e adaptativos.

Conforme Cardoso, 2006, as características dos DSP permitem a implementação de

algoritmos complexos de controle (fuzzy, adaptativo, robusto, sensorless, etc.) com

flexibilidade de alteração dos parâmetros de controle por software dispensando a interferência

e parâmetros físicos dos componentes do processamento, fazendo que os custos desta

tecnologia passem a ser atrativos.

Neste sentido, Cukla, 2012, implementou uma solução digital baseada em DSP para o

controle de servoposicionador pneumático a partir da utilização de um processador digital de

sinais modelo dsPIC30F3013 do fabricante Microchip®; com programação lógica de

execução de operações realizada em linguagem “C” e gravada diretamente em hardware

(firmware).

Equipamentos comerciais para aquisição de dados de instrumentação e prototipagem

de algoritmos de controle hospedada em microcomputador, como os produtos da empresa

dSPACE®, fazem o uso comercial de DSP para estas operações. Vários trabalhos de projeto

de controladores de servoposicionadores pneumáticos, como em Perondi, 2002, Sobczyk

Sobrinho, 2009 e Suzuki, 2010, utilizaram como unidade de processamento um equipamento

da dSPACE. Nesse tipo de sistema, a placa de aquisição e processamento de dados pode

permanecer hospedada em um PC-IBM comum ou em módulos autônomos; a programação

das rotinas de aquisição de dados e o controle da planta são realizados em interfaces gráficas

Page 40: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

22

computacionais amigáveis de linguagem de alto nível (programação realizada em esquemas

baseados em blocos e fluxo de sinais).

2.4 Comunicação de Dados

Em sistemas de controle baseados em dispositivos digitais, é necessária a utilização de

um modelo de intercomunicação de dados entre diferentes dispositivos que compõem a

instrumentação e unidade de processamento com interfaces homem-máquina ou outros

equipamentos. Em arquiteturas de tempo real onde é necessário transmitir dados para sistemas

supervisórios ou de armazenamento de informações (data-loggers) durante o ciclo de controle,

é importante especificar um protocolo de comunicação rápido e confiável. Neste contexto,

diversos protocolos normatizados são utilizados para comunicação de equipamentos, com

diferentes características que os tornam adequados de acordo com a aplicação, dentre os quais

se destacam o RS2325, RS485

6, IEEE488

7 e CAN, dentre outros. A Tabela 2.1 apresenta um

quadro comparativo entre as principais características dos principais protocolos.

Tabela 2.1 – Quadro comparativo entre diferentes protocolos de comunicação

Protocolo RS232 RS485 USB 2.0 IEEE488 CAN

Tipo serial serial serial paralelo serial

Linha de dados - - - 8 -

Taxa de dados 115,2

Kbps

100

Kbps

1,5 / 12

Mb/s 1 Mb/s

125

Kbps

N° de Dispositivos 1 32 127 14 100

Distância Máxima de

Transmissão 12 m 1200 m 5 m 20 m 40 m

Devido às características do presente projeto, o protocolo USB é utilizado para

transmissão dos dados gerados pelo controlador digital a um computador compatível com

IBM-PC, em função da disponibilidade de conexão USB na placa de prototipagem e

computador, da facilidade de uso por sua característica plug-and-play e por apresentar as

maiores taxas de transmissão de dados dentre as pesquisadas.

5 É um padrão de protocolo para troca série de dados binários entre um DTE (Data Terminal Equipment) e um

DCE (Data Communication Equipment). 6 É um padrão que define as características elétricas de drivers e receptores para uso em sistemas de

comunicação serial. 7 É um padrão para barramento de comunicações digitais de curto alcance.

Page 41: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

23

O protocolo de comunicação USB (sigla para universal serial bus ou barramento serial

universal) foi criado ao longo da década de 1990 por um conjunto de empresas da área de

desenvolvimento de hardware e software, com o objetivo de padronizar a interconexão de

periféricos em computadores pessoais baseado na comunicação de dados seriais e assíncronos

(sincronismo é obtido por mecanismos característicos do protocolo), aliando funcionalidades

e vantagens frente aos outros protocolos (p.e. RS-232) como plug-and-play, autoconfiguração

de dispositivo a quente (hot-pluggable) além de transmissão de energia elétrica no mesmo

cabo de conexão de dados.

A topologia USB é formada por até 7 camadas, nas quais podem ser interconectados

até 127 diferentes dispositivos. Na camada principal (primeira) se encontra o HOST

(dispositivo hospedeiro; computador, por exemplo) que efetua o controle direto de periféricos

(devices) e HUBs. A função do HOST consiste na identificação, enumeração e coordenação

do fluxo de dados entre os diferentes dispositivos conectados ao barramento. Um device tem

por função o recebimento de dados endereçados a ele e checagem de erros e retorno da

informação. Já, o HUB é um dispositivo que contém uma ou mais portas USB para outros

periféricos, cujas funções básicas são a repetição do fluxo de dados, sinalização de status e

gerenciamento de potência. Somente pode existir um HOST em uma arquitetura USB.

O protocolo USB se baseia em protocolo de transferência baseado em um conceito

chamado de Token Ring; na qual três pacotes de dados são enviados a cada 1 ms. A Figura 2.6

mostra a composição dos pacotes deste modelo.

Figura 2.6 – Pacote de dados protocolo USB [Adaptado de Axelson, 2009].

A transferência de dados ocorre a partir do envio de um pacote de dados denominado

Token Packet no qual no campo Packet Identifier (P.I.D.) constam informações de tipo de

pacote que será transmitido, o formato e o tipo de detecção de erro; o campo address (ADDR)

Page 42: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

24

contém o endereço do device ao qual está destinada a mensagem e o campo ENDP representa

o endpoint. O campo cyclic redundancy checks (CRC) tem como objetivo passar informação

ao destinatário de erros ocasionados durante o processo de transmissão [Axelson, 2009]. O

segundo pacote enviado é o pacote de dados (data packet) que contém a repetição do envio do

P.I.D. e CRC somado ao envio dos dados (campo DATA). O terceiro pacote consiste em

somente um campo P.I.D. que contém internamente quatro pacotes: ACK, NAK, STALL e

NYET, que correspondem, respectivamente, à seguinte comunicação: aceite de mensagem

livre de erro; emissor não pode aceitar pacotes; solicitação de controle não suportada; e

dispositivo não pode aceitar nova mensagem livre de erros [Axelson, 2009]. Durante as trocas

de dados entre host-device, ambos assumem a condição de transmissor e receptor de dados de

maneira não simultânea (comunicação half-duplex).

Floyd, 2007, afirma que o protocolo USB suporta duas taxas de transferência de

dados, sendo uma de alta velocidade de 12 Mb/s (USB 2.0) e uma de baixa taxa de velocidade

(1,5 Mb/s - USB 1.0). A versão mais moderna (USB 3.0) permite a transferência de dados em

até 480 Mb/s. O protocolo USB aceita 4 tipos diferentes de transferência de dados [Axelson,

2009]:

a) Control: utilizado basicamente na configuração e identificação de dispositivos;

b) Bulk: transferência que possui maior compromisso com a integridade dos dados

enviados, com rotinas de retransmissão de dados em caso de identificação de

erro, utilizado em equipamentos com baixa taxa de transferência de dados;

c) Interrupt: utilizado em condições onde há a necessidade de envio periódico de

notificações ao hospedeiro sob a necessidade de confirmação de recebimento de

pacotes em tempo adequado e livre de erros, como em periféricos de

computadores pessoais;

d) Isochronous: utilizado em situações onde a alta velocidade de transmissão de

dados é um quesito fundamental; neste processo não há o envio de handshake

packet, o que interfere diretamente na garantia de integridade das informações;

muito utilizado em equipamentos de áudio e vídeo.

2.5 Técnicas de Controle Implementadas

Conforme Kunz, 2006, existem dois tipos básicos de tarefas de posicionamento para

servoposicionadores pneumáticos: problema de controle de posição e problemas de controle

Page 43: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

25

de trajetória. Para controle de posição, trabalha-se somente com o erro que é definido pela

diferença da posição atual e a posição desejada (final). No controle de trajetória, segue-se uma

curva com sucessivas posições, o que demanda maior quantidade de informações transmitidas

ao longo do tempo (por exemplo, posição, velocidade e aceleração medidos e desejados).

Sendo o principal objetivo deste trabalho o desenvolvimento de uma plataforma de

controle para aplicação em sistemas de servoposicionamento pneumático, para validação do

desempenho do controlador digital em seguimento de trajetórias e controle de posicionamento

optou-se pela implementação de duas diferentes, porém tradicionais, estratégias de controle:

uma linear, denominadas PID (com ações de controle Proporcional, Integral e Derivativa) e

uma não linear, chamada de controle por modos deslizantes (SMC – Slide-Mode Control).

Apesar de o controle PID ser considerado pouco eficiente para o controle de

servoposicionadores pneumáticos em termos de precisão, em função das não linearidades

inerentes à planta [Pandian et al., 1997; Song, Bao e Ishida, 1997; Tanaka et al., 1996], a

implementação do controle PID ocorre em função da ampla utilização desta estratégia para o

controle de diversas malhas de processos em ambientes industriais com resultados

satisfatórios, sendo, portanto, um controlador que serve muitas vezes para obter dados de

comparação de desempenho de controladores, como, por exemplo, em Perondi, 2002.

O Controle por Modos Deslizantes (SMC) é um controlador (não-linear) de estrutura

variável que possui a característica de apresentar geralmente baixa sensibilidade a variações

paramétricas do sistema [Perondi e Guenter, 2000]. Esta característica o torna atrativo para

controle de servoposicionadores pneumáticos, sendo que na bibliografia vários trabalhos

contemplam a aplicação dos controladores por estrutura variável a estes sistemas, tais como

Perondi e Guenter, 2000, Gyeviki et al., 2005, Li et al., 2006 e Cukla, 2012.

2.5.1 Controle Linear Proporcional-Integral-Derivativo (PID)

A técnica de controle PID consiste em aplicar um sinal de correção à ser aplicado à

planta de controle 𝑢(𝑡) calculado a partir do valor do erro 𝜀(𝑡), obtido através da diferença

entre o valor desejado e o valor da variável controlada, somado ao valor de sua taxa de

variação em função do tempo (derivada) e sua integral com relação ao último período de

tempo computado.

Este valor é transformado em um sinal adequado à planta e tem por objetivo a garantia

de um controle estável e preciso.

Page 44: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

26

As Equações 2.1 e 2.2 representam a estrutura do controlador, sendo 𝐾𝑝 um valor

constante que representa o ganho proporcional, 𝐾𝑖 é o ganho integral (ou taxa integral) e 𝐾𝑑 é

o ganho derivativo (ou tempo derivativo) e definem a intensidade de cada ação. O temo 𝜀(𝑡)

representa o erro instantâneo do sistema, gerado pela diferença entre do valor da posição atual

𝑦(𝑡) e o valor de referência 𝑦𝑑(𝑡). O resultado da Equação 2.1 é o sinal de controle aplicado à

planta 𝑢(𝑡).

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝𝜀(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝜀(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝑑

𝑑𝜀(𝑡)

𝑑𝑡

𝑡

0

(2.1)

𝜀(𝑡) = 𝑦(𝑡) − 𝑦𝑑(𝑡) (2.2)

A Figura 2.7 representa o diagrama de blocos de um controlador PID.

Figura 2.7 – Diagrama de blocos de um controlador PID

Na Figura 2.7, 𝐾𝑝 é um valor constante que representa o ganho proporcional, 𝐾𝑝 𝑇𝑖⁄ é

o ganho integral e 𝑇𝑑𝐾𝑝 é o ganho derivativo (ou tempo derivativo) e definem a intensidade

de cada ação sobre a planta.

Aström e Hagglund, 1995, apud Sobczyk Sobrinho, 2009, recomendam o uso de

controladores PID para sistemas cuja dinâmica seja de ordem até 2, isto é, para sistemas cuja

função e transferência possui até dois polos. Conforme Perondi, 2002, o sistema de

posicionamento pneumático apresenta dois polos pouco amortecidos em malha aberta e um

sobre a origem. As oscilações pouco amortecidas e o risco de instabilidade, segundo o mesmo

autor, limitam o ganho de um controlador proporcional, resultando em um posicionamento

lento. Uma redução de erro pode ocorrer com a aplicação de uma parcela integral, mas não

Page 45: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

27

produz efeitos sobre oscilações e instabilidades devido a não alteração dos polos de malha

fechada. Esta característica pode ser melhorada com o acréscimo de uma ação integral,

porém, também com ganhos limitados pela possibilidade de estabilidade.

Devido às dificuldades associadas à sintonia de dos três ganhos independentes dos

controladores PID, diversos autores incorporam outras estratégias de controle ao PID, como

PID não linear autorregulado (automático) ou SN-PID [Salim et al., 2014]; ajuste adaptativo

de ganhos com compensação de atrito [Azis e Bone, 1998 apud Perondi, 2002]; adaptação via

redes neurais [Song, Bao e Ishida, 1997].

2.5.2 Controle Robusto por Modos Deslizantes (SMC)

As limitações relacionadas aos sistemas pneumáticos, como compressibilidade do ar,

vazamentos e alta sensibilidade ao atrito se caracterizam em efeitos não-lineares que

comprometem a eficiência dos controladores lineares. A limitação dos controladores clássicos

levou os pesquisadores a buscarem soluções baseadas em controladores que fossem capazes

de lidar com as não linearidades do sistema [Borges, 2017].

O controlador de estrutura variável por modos deslizantes (slide-mode control) possui

a característica de fácil implementação e apresenta característica de robustez a variações

paramétricas dos sistemas. Um sistema é dito robusto, quando ele apresenta mudanças

aceitáveis no desempenho, mesmo na presença de alterações na planta e imprecisões do

modelo [Dorf, 1989].

De acordo com Perondi, 2002, o controlador por modos deslizantes se baseia no

chaveamento das leis de realimentação com o objetivo de conduzir a trajetória dos estados do

sistema com o objetivo de conduzir a trajetória dos estados do sistema em direção a uma

superfície arbitrária no espaço de estados definida em projeto (conhecida como superfície de

deslizamento ou superfície de chaveamento). A superfície, uma vez atingida, deve confinar o

vetor de estados de forma que ele deslize sobre ela até o equilíbrio [Locateli, 2011]. Este

comportamento caracteriza o regime de deslizamento ou de modo deslizante. Na implantação

de um controlador para problemas de regulagem [Cukla, 2012], superfície 𝑆 que o sistema

deve seguir é expressa pela Equação 2.3, onde 𝜀 é o valor de erro, é o valor da velocidade e

é o valor da aceleração do sistema, enquanto 𝑆1, 𝑆2e 𝑆3 são determinados para imposição da

convergência do sistema e garantir a estabilidade.

Page 46: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

28

𝑆 = − 𝑆1𝜀 + 𝑆2 + 𝑆3 (2.3)

Em controladores por modos deslizantes é possível definir uma região em torno da

superfície de deslizamento, conhecida como camada limite. Os controladores que utilizam o

chaveamento de leis de realimentação não garantem a existência do modo de deslizamento

para todo o espaço de estados, sendo, neste caso, necessário utilizar um valor relativamente

grande de largura de camada limite [Gyeviki et al., 2005]. A troca contínua (chaveamento)

das leis de controle para manutenção da resposta dentro do valor de largura da camada limite

𝜑, que corresponde a um valor de erro dentro de um limite especificado em projeto, pode

originar sinais de alta frequência (fenômeno conhecido como chattering), causando problemas

como a diminuição da vida útil dos componentes móveis do sistema. A Figura 2.8 apresenta

um exemplo de chattering de um sistema associado ao chaveamento das leis de controle no

intuito de manter o sistema em modo deslizante. Os termos 𝑦 e são a posição e a velocidade

(variáveis de estado) e 𝑆(𝑥) = 0 é a trajetória de estados relativa à superfície de deslizamento.

Figura 2.8 – Chattering gerado pelo chaveamento das leis de controle [Adaptação de Gyeviki

et al., 2005].

O chattering inerente a esta técnica de controle, somando ao ruído proveniente da

derivação do sinal de velocidade para obtenção da aceleração, consiste em uma das maiores

dificuldades para aplicação desta técnica para o controle de servoposicionadores pneumáticos

[Perondi e Guenther, 2000]. Tanto o chattering quanto a presença de ruído eletroeletrônico

nos sinais medidos, podem ocasionar excitação de dinâmicas não modeladas do sistema, o que

pode comprometer a qualidade do resultado do controle.

Assim, a camada limite definida pela Equação 2.4 pode ser utilizada para diminuir o

efeito de chattering.

Page 47: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

29

𝑢 = − 𝑉𝑚𝑎𝑥𝑆𝑎𝑡(𝑆) (2.4)

A função 𝑆𝑎𝑡(𝑆) pode ser definida como 𝑆𝑔𝑛(𝑆 𝜑⁄ ) quando |𝑆| > 𝜑 e como 𝑆 𝜑⁄

quando |𝑆| ≤ 𝜑. O valor de 𝑉𝑚𝑎𝑥 é o valor de tensão de saturação (tensão máxima aplicada).

Na condição |𝑆| ≤ 𝜑, ou seja, com os estados no interior da camada limite, o controlador se

comporta como um controlador de estados [Perondi, 2002], com vetor de ganho (𝑉𝑚𝑎𝑥/

𝜑)(𝑆1 𝑆2 𝑆3) e vetor de estados (𝜀 ). O diagrama de blocos de um controlador tipo

slide-mode control é apresentado na Figura 2.9.

O projeto e a implementação destes controladores em sistemas de tempo real serão

apresentados na Seção 5.

Figura 2.9 – Diagrama de blocos de um controlador por modos deslizantes [Adaptado de

Perondi e Guenther, 2000].

Page 48: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

30

3 SISTEMAS DE CONTROLE EM TEMPO REAL

Controladores eletrônicos digitais utilizados para o controle de sistemas físicos

devem possuir capacidade de aquisição e processamento de dados em um ciclo de controle,

cujo período de tempo deve estar adequado à dinâmica do processo físico controlado.

Segundo Kunz, 2006, tanto o sistema de aquisição e acionamento quanto a técnica de

controle necessitam de garantias temporais para eficiência de seu funcionamento. No

entanto, muitas das plataformas de computação comumente utilizadas para implementar

sistemas de controle não são capazes de dar quaisquer garantias determinísticas e de

equidistância da amostragem [Oliveira, 2011]. Desta forma, o desenvolvimento de

algoritmos em sistemas operacionais que contenham a propriedade de estabelecer um limite

temporal rígido, com alto grau de confiabilidade para obtenção de uma resposta em relação

ao momento de um estímulo, denominados sistemas de tempo real (RTS do inglês real-time

systems) é útil e necessário para garantia da estabilidade e o desempenho de malhas de

controle.

Um sistema operacional de tempo real (RTOS do termo em inglês real-time

operating system) pode ser definido como um conjunto de softwares que efetuam o

gerenciamento de recursos computacionais como memória RAM, periféricos

compartilhados, gestão de tempo de processos e de tarefas, dentro dos quais o kernel é a

camada de abstração entre hardware e software, que tem por objetivo a garantia de que

todos eventos sejam executados em função das restrições temporais impostas pelos códigos

programados. Estes sistemas são destinados à execução de múltiplas tarefas que interagem

sincronamente com o mundo real, executam tarefas de processamento e controle as quais

devem ser realizadas em um tempo suficientemente hábil ou dentro de um intervalo de

tempo previamente estipulado de forma a manter o sistema operando de forma consistente.

Conforme Macêdo e Farines, 2018, sistemas de tempo real podem ser informalmente

definidos como aqueles que interagem sincronamente com o mundo real, percebendo nele a

ocorrência de eventos e reagindo aos mesmos em intervalos de tempo previamente

estipulados. De acordo com o padrão POSIX 1003.1, tempo real de sistemas operacionais

consiste na habilidade do sistema em prever uma determinada quantidade de operações em

um tempo pré-definido de resposta [Monfret e Linimon, 2000 apud Oliveira, 2005]. A

norma alemã DIN 443008 especifica que um sistema de tempo real é aquele onde os

8 Processando informação; vocabulário.

Page 49: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

31

resultados das entradas estão sempre disponíveis em períodos de tempo pré-determinados

[Amianti, 2008; Timmerman, 2011 apud Aroca, 2008]. Sistemas de tempo real são por

padrão desenvolvidos a partir de uma estrutura conjunta de hardware e software, na qual o

suporte de tempo real é formado por componentes de software que gerenciam as aplicações

e os recursos de hardware [Mello e Sarcinelli-Filho, 2014].

O objetivo da utilização de programação em tempo real na implementação de

sistemas de controle é alocar recursos computacionais limitados de tal forma que a

estimação do estado e os algoritmos de controle possam garantir a estabilidade e a

otimização do desempenho do sistema de controle como um sistema de tempo real

[Oliveira, 2011]. Segundo Aroca, 2008, para sistemas em que alta confiabilidade é um

requisito, os sistemas operacionais de tempo real devem ser utilizados por serem sistemas

projetados e preparados para funcionarem de forma determinística, em contraposição aos

sistemas operacionais convencionais de propósito geral.

A área de pesquisa e desenvolvimento de sistemas de controle em tempo real é

interdisciplinar e engloba conhecimentos sobre computação aplicada e engenharia de

controle e automação, sendo uma área importante no contexto do desenvolvimento de

controladores digitais em processadores e microcontroladores eletrônicos. De acordo com

Oliveira, 2011, a implementação bem-sucedida de um sistema controlado por computador

requer uma boa compreensão tanto da teoria de controle quanto da teoria de sistemas de

tempo real.

3.1 Classificação de Sistemas de Tempo Real

Os sistemas de tempo real podem ser classificados de acordo com as características

dos sistemas aos quais se deseja controlar, como:

a) Soft real-time: também conhecidos como sistemas não críticos de tempo real,

quando uma reação tardia, realizada após o deadline (tempo máximo para

realização de uma tarefa) mantém a sua utilidade – apesar dos impactos na

diminuição do desempenho; atrasos apenas diminuem a qualidade de resposta

do sistema, o tempo de execução é probabilístico, onde boa parte das tarefas é

executada no prazo;

b) Hard real-time: também conhecidos como sistemas críticos de tempo real.

Neste caso, quando a reação à tarefa ultrapassa o deadline, pode levar à falha

Page 50: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

32

ou a condições catastróficas. Nesta classificação, não existe tolerância a

atrasos, sendo que uma tarefa que não cumpra o deadline é considerada inútil

ao sistema; desta forma, o tempo de execução deve ser garantido pelo sistema;

c) Firm real-time: sistema intermediário de tempo real no qual o acúmulo de

falhas ou perdas de prazo para execução de tarefas em um sistema soft real-

time pode transformá-lo em um hard real-time. Nestes sistemas, as tarefas

realizadas após o deadline são toleráveis, porém a frequência de novas

ocorrências destas tarefas pode degradar o sistema como um todo, tornando-o

inutilizável.

Os programas embarcados em eletrodomésticos, como micro-ondas e aparelhos de

reprodução de vídeos, cujo atraso não representa condicionamento adverso do sistema físico

controlado, são exemplos de aplicação de sistemas soft real-time. Sistemas considerados

firm real-time são utilizados na transmissão de dados via radiofrequência e em algoritmos

comunicação através de protocolos de comunicação serial, dentre outros. Equipamentos

médicos, sistemas de comutação de canais de dados para telecomunicações, sistemas de

gerenciamento de freios anti-lock braking system (ABS) e sistemas utilizados para controle

de instrumentos em aviação representam sistemas onde ocorre a necessidade de utilização

de sistemas tipo hard real-time, por conta da possibilidade de ocorrência de resultados

possivelmente desastrosos, sejam eles financeiros, materiais ou de perdas humanas.

3.2 Tarefas e Políticas de Escalonamento

Em sistemas operacionais, as aplicações (programas computacionais), de tempo real

ou não, podem ser abstraídas em unidades lógicas chamadas de tarefas ou processos [Mello

e Sarcinelli-Filho, 2014]. Tarefas (ou tasks) podem ser definidas como um segmento ou

trecho de código sequencial cuja execução possui um identificador, estado de execução,

recurso utilizado e uma dada prioridade de acordo com a sua importância no contexto da

aplicação e um atributo temporal próprio. A característica temporal das tarefas em um

algoritmo implica na categorização em dois grupos:

a) tarefas periódicas ou síncronas: ativações ocorrem em um intervalo de tempo

cíclico, regular em uma sequência permanente, enquanto ocorre a execução do

laço de controle;

Page 51: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

33

b) tarefas aperiódicas ou assíncronas: processamento de tarefa relacionado a

interrupções ou eventos externos.

Farines, Fraga e Oliveira, 2000, afirmam que tarefas ou processos formam

unidades de processamento sequencial que concorrem sobre um ou mais recursos

computacionais de um sistema. São consideradas restrições de tempo para tarefas

periódicas, o tempo de computação, o tempo de ativação da tarefa, o deadline e o jitter de

liberação de tarefa (tempo necessário para a liberação de execução da tarefa pelo sistema

operacional). O jitter pode ocorrer por vários motivos, dentre eles uma variação no

relógio, branches (saltos) no código e decisões de escalonamento [Cinkelj et al., 2005

apud Aroca, 2008].

O controle do tempo em dispositivos digitais, como computadores e

microcontroladores, é realizado a partir de temporizadores (timers) implementados por

hardware e muitas vezes controlados por software, que têm por objetivo a geração de

interrupções com frequência determinada. As interrupções tipo interrupt service routine

(ISR – ou rotina de serviço de interrupção) podem ser definidas como uma sinalização de

finalização de uma operação, como por exemplo, o estouro de contagem (overflow) de um

temporizador; o sinal de interrupção é enviado a um controlador de interrupções que

executa uma rotina lógica para tratamento do evento. O mecanismo de interrupção de

timers possibilita que o sistema operacional atribua fatias de tempo (time-slices) para cada

um dos processos em um sistema multitarefas. A cada interrupção do relógio (tick), o

gerenciador do sistema verifica se o tempo decorrido de execução de uma dada tarefa está

esgotado, e em caso afirmativo, aciona o escalonador para seleção do processo

subsequente para processamento. Um tick é a menor unidade de tempo que pode ser

medida em um sistema operacional, seu tamanho otimizado depende da frequência de

clock do sistema [Oliveira, 2011].

Para garantia de execução de todas as tarefas em restrição temporal, a camada central

de gerenciamento do sistema (kernel) realiza a função de escalonamento (scheduling –

classificação e ordenação) das tarefas de acordo com seu grau de prioridade indicando a

ordem de ocupação do processador por um conjunto de tarefas. O escalonador é um programa

que determina qual tarefa será executada a seguir, segundo algum algoritmo de escalonamento

[Mello e Sarcinelli-Filho, 2014]. Moreira, 2007, afirma que o termo escalonamento de

processos se refere à ordem de execução dos processos no estado de pronto que irão utilizar

recursos do processador. Nesse processo, a rotina central é o escalonador, o qual implementa

Page 52: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

34

uma escala de execução de acordo com uma política específica de escalonamento. Estes

conceitos estão representados e relacionados na Figura 3.1.

Figura 3.1– Escalonamento de tarefas [Adaptado de Moreira, 2007].

Sistemas de tempo real geralmente apresentam algoritmos de políticas de

escalonamento definidas, determinando qual a ordem de execução de tarefas. As principais

classificações encontradas na literatura destas políticas de escalonamento de tarefas são:

a) Preemptivo: modo de escalonamento em que uma tarefa em execução pode

sofrer interrupção antes da finalização de sua execução, para que outra tarefa de

maior prioridade possa ser executada. Os algoritmos não-preemptivos não

permitem a interrupção de tarefas;

b) Estático: modo de escalonamento na qual não é permitida a interrupção de uma

tarefa, sendo a ordem de execução baseada em parâmetros definidos quando da

ativação da tarefa;

c) Dinâmico: algoritmo que efetua o ajuste da prioridade e ordem de execução das

tarefas de acordo com o estado ou condição do sistema;

d) Ótimos: algoritmos de escalonamento baseados na premissa de diminuição de

custo computacional para sua classe de problema.

e) Prioridade Fixa (FP): cada tarefa periódica é associada a um período fixo, um

deadline, um tempo e execução de pior caso e uma prioridade fixa.

Um exemplo de algoritmo ótimo denominado Rate Monotonic (RM), cujo esquema de

prioridade produz escalas em tempo de execução através de escalonadores preemptivos,

dirigidos a prioridades. A escalabilidade de um modelo RM define um modelo de tarefas

Page 53: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

35

bastante simples com as premissas de: tarefas periódicas e independentes, deadline de cada

tarefa igual ao período, tempo de computação conhecido e constante e tempo de chaveamento

entre tarefas é considerado nulo [Oliveira, 2011]. Outra extensão muito utilizada em sistemas

e tempo real comerciais é o Round Robin (RR), cujo conceito se assemelha ao escalonamento

de prioridade fixa. Neste tipo de algoritmo, a CPU é compartilhada entre as diferentes tarefas

utilizando o conceito de fatiamento de tempo (time-slice). Cada tarefa em um grupo de tarefas

com a mesma prioridade é executa por um determinado time-slice antes de liberar a CPU para

a próxima tarefa no grupo. Nenhuma das tarefas pode se apoderar do processador enquanto

ele estiver bloqueado [Oliveira, 2011]. Outras políticas de escalonamento disponíveis em

sistemas de tempo real comerciais são: first-in first out (FIFO), no qual uma tarefa ocupa a

CPU até o seu término, bloqueio ou até que um processo de maior prioridade esteja pronto

para execução; Sporadic: nesta política há apenas dois tipos de prioridade, alta e baixa,

quando uma tarefa entra em execução é atribuída à mesma um ‘saldo’ que decresce à medida

do tempo de uso da CPU. Quando o saldo é zerado, a prioridade é diminuída, recuperando a

prioridade e o saldo após um determinado período de tempo, repetindo o ciclo.

Conforme Macêdo e Farines, 2018, o escalonamento é um problema fundamental em

sistemas de tempo real, cujas soluções determinam a ordem de execução das tarefas do

sistema. Como há prazos de execução que devem ser cumpridos pelas tarefas, ordenar a

execução das mesmas têm implicações diretas na correção do sistema. O escalonador depende

de um procedimento de troca de contexto para direcionar o processamento à próxima tarefa a

ser executada. Segundo Santos, 2017, a troca de contexto é o procedimento pelo qual um

processo A, que está em execução no processador, é pausado, e um processo B toma o seu

lugar para iniciar ou continuar sua execução. Ainda de acordo com Santos, 2017, o contexto

de um processo é formado pelo conjunto de dados internos ao processador: seus registradores,

ponteiro de programa, ponteiro de pilha, códigos de condição de execução, além das variáveis

e estados do próprio processo.

3.3 Relações de Precedência e Exclusão e Mecanismos de Sincronização e Comunicação

Políticas de escalonamento definem critérios ou regras para a ordenação de tarefas de

tempo real. Os escalonadores utilizando então estas políticas produzem escalas que se forem

realizáveis garantem o cumprimento das restrições temporais impostas às tarefas de tempo

real [Farines, Fraga e Oliveira, 2000].

Page 54: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

36

Contudo em diversas aplicações, não é possível realizar o processamento

computacional das tarefas em ordem arbitrária, mas sim em ordens previamente definidas. As

relações de precedência implicam na realização de ordens parciais de execução de tarefas no

contexto de interdependência de sinais de sincronização ou envio/recebimento de informações

produzidas em diferentes tarefas, necessárias à correta execução da rotina descrita no código,

enquanto as relações de exclusão definem a forma de relação entre tarefas pela ótica do

compartilhamento de recursos computacionais. As relações de precedência podem ser

definidas através das necessidades de comunicação e sincronização entre as tarefas [Farines,

Fraga e Oliveira, 2000].

Em sistemas de tempo real multitarefas, nas quais programas concorrentes são

executados de maneira simultânea, pode haver ainda situações de concorrência (necessidade

de uso de um mesmo periférico, por exemplo) entre diferentes processos programados. As

principais classes de solução adotadas em SOTR para finalidade de dirimir tais problemas em

programas concorrentes são:

a) Semáforos ou Mutex: o semáforo (mecanismo de sincronização disponível em

praticamente todos os RTS) é um tipo de variável abstrata que tem por objetivo a

sincronização de tarefas e a restrição de acesso ou comunicação dentre as

tarefas. Um semáforo binário permite controlar o acesso a um único recurso, a

partir do valor de uma variável, cujo valor varia entre “1” na condição de uso

(lock) e “0” quando na condição de livre (unlock). O sincronismo de tarefas,

provido de semáforos, tem como objetivo manter a integridade dos recursos

compartilhados, de forma a assegurar uma cooperação entre os processos [Mello

e Sarcinelli-Filho, 2014]. Muitos autores também chamam os semáforos binários

de Mutual Exclusion (mutex) para enfatizar sua característica de exclusão mútua

entre duas tarefas [Laplante, 2004; Tanenbaum, 2001 apud Aroca, 2008]. A

exclusão mútua é necessária em recursos que não permitem a preempção, como

a tarefa de escrita em displays gráficos e comunicação serial, por exemplo;

b) Troca de Mensagens (Message Passing): O processo de troca de mensagens se

restringe a duas operações: envio e recebimento, sendo a sincronização realizada

através das mesmas operações. As tarefas tipicamente recebem mensagens,

executam seus processamentos e, por fim, enviam seus resultados ou sinais de

sincronização na forma de mensagens [Farines, Fraga e Oliveira, 2000]. A

comunicação entre processos ou Inter-Process Communication (IPC) é um

Page 55: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

37

sistema que permite que tarefas sendo executadas troquem informações entre si

[Aroca, 2008].

A intercomunicação provê mecanismos de comunicação entre tarefas, como a troca de

mensagens e filas, comuns entre processos que dependem uns dos outros para a própria

execução [Mello e Sarcinelli-Filho, 2014].

A escolha por um dos métodos acima leva em consideração aspectos relacionados à

construção das tarefas programadas. Em programas nos quais há ocorrência de execução de

tarefas em diferentes computadores ou dois diferentes núcleos em um mesmo processador, a

tendência natural pela escolha de sincronismo através da troca de mensagens é geralmente

observada. Conforme Aroca, 2008, qualquer programa que deseje mandar mensagem para

outro pode disponibilizar esta informação na memória compartilhada e outro programa irá

obter dados desta região de memória compartilhada. Ainda de acordo com o autor, como esta

técnica pode causar corrompimento de dados e falha, já que não se tem controle sobre o que

os programas estão escrevendo, é comum utilizar mecanismos de sincronização, como

semáforos, para controlar o acesso a estas regiões de memória. A utilização de variáveis

compartilhadas (semáforos binários) com permissão de acesso simultâneo entre várias tarefas

gera menor custo de computação, uma vez que não há necessidade de cópia de dados de

memória do remetente ao destinatário da informação, mas há alteração direta nas variáveis

compartilhadas.

3.4 Sistemas Operacionais de Tempo Real (RTOS)

Para o desenvolvimento de aplicações que requerem condições temporais restritas, é

necessária a avaliação das exigências qualitativas dos RTOS a fim de atendimento aos

requisitos necessários. O sistema operacional deve fornecer funcionalidade mínima suficiente

para que possibilite a execução completa de aplicações em tempo real de acordo com suas

restrições temporais [Moreira, 2007].

A escolha de um real time operating system (RTOS) é importante para dar suporte a

prioridades, interrupções, timers, comunicação entre tarefas, sincronização, gerenciamento de

memória e multiprocessamento [Baskiyar e Meghanathan, 2005 apud Aroca, 2008]. Existem

diversos projetos que provêm suporte a sistemas de tempo real com licença não-proprietária,

muitos do quais estão focados em kernel Linux [Santos e Lima, 2009]; outras propostas de

SOTR são destinadas a aplicações com sistemas embarcados com capacidades reduzidas de

Page 56: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

38

processamento e quantidade reduzida de memória. Dentre os trabalhos pesquisados para

implantação de controle digital para servoposicionadores pneumáticos, diversos apresentam a

aplicação sistemas de tempo real.

Kunz, 2006, apresenta em seu trabalho a construção de uma bancada experimental

para um sistema de servoposicionamento pneumático, com a utilização de um

microcomputador IBM-PC para processamento de dados de sensores de pressão e de posição

(encoder) advindos de conversores AD/DA e geração do sinal de controle para acionamento

de uma servoválvula para o controle direcional. Destaca-se a utilização do sistema

operacional de kernel Linux denominado RTAI (sigla de real time application interface,

descrito na Seção 3.4.1) para geração de laço de controle com intervalos fixos de 1 ms. Os

resultados obtidos com a aquisição a esta taxa de aquisição de dados permitiram o

mapeamento das curvas estáticas tridimensionais de enchimento e exaustão, referentes a

vazão e pressão nas câmaras internas do atuador pneumático em função da tensão aplicada à

servoválvula e ao tempo, além da identificação do comportamento da atuação do atrito neste

sistema por imposição de velocidade de deslocamento ao êmbolo do pistão.

Entre os trabalhos que relacionam a aplicação de sistemas de tempo real para controle

para posicionamento e seguimento de trajetória em atuadores pneumáticos, destaca-se o

trabalho apresentado por Perondi e Guenter, 2000, no qual se utilizam como aparato de

controle e aquisição de dados uma placa de controle rápida dSPACE GmbH – DS1102

acoplada a um computador IBM-PC DX266MHz. Para implementação de algoritmo de

controle foi utilizado o software Matlab/Simulink que conta com módulos e interfaces de

aquisição de dados de sensores piezoelétricos para aquisição dos dados de pressão e um

sensor linear para posição, em tempo real, neste caso com intervalos de tempo de amostragem

fixos de 1 ms. Os ensaios realizados, utilizando um atuador de dupla ação sem haste e uma

servoválvula proporcional na aplicação de controle por modos deslizantes (slide mode

control) e em comparação a resultados de um controle tipo PVA (posição, velocidade e

aceleração) apresentaram bons resultados, com baixo tempo de assentamento e erros de

regime na ordem de ±2,4 mm (PVA) e ±0,2 mm (SMC) para uma massa acoplada ao atuador

de 0,3 Kg. Quando da aplicação da massa de 1,4 Kg, foi verificada uma reduzida perda de

desempenho (SMC) e resposta excessivamente oscilatória e perda de desempenho (PVA).

A utilização do software Matlab / Simulink para implementação controladores baseado

em sistemas de tempo real pode ser observada em diversos outros artigos. Takosoglu, Dindorf

e Laski, 2008, apresentam os resultados de simulação e de testes experimentais realizados

Page 57: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

39

para o controle de um servoposicionador pneumático, onde é utilizado um algoritmo de

controle baseado em lógica fuzzy (controle Fuzzy-PD). Este sistema, composto de um atuador

linear de com 224 mm de comprimento, válvula proporcional 5/3 vias e transdutor de posição

sem contato, além de placas comerciais de resolução de 16 bits (Measurement Computing -

AD/DA PCI-DAS1602/16) como interface de computadores, utilizou o sistema Matlab-

Simulink para prototipação do controlador em tempo real, além de recursos do mesmo sistema

(toolboxes) para construção da modelagem matemática do sistema físico utilizado e realização

da sintonia do controlador. Os resultados de testes práticos realizados com a aplicação de sinal

de trajetória do tipo degrau unitário, rampa e sinal senoidal (frequência de 0.5Hz) com a

aplicação de diferentes cargas mostraram-se semelhantes aos resultados previstos no modelo

matemático proposto. Respostas oscilatórias durante a aplicação de cargas ao atuador,

observadas nos resultados dos ensaios para o controle de posicionamento têm como causa,

segundo os autores, o comportamento não modelado das forças de atrito (Stribeck) e efeitos

como o stick-slip (adere-desliza), além da amplificação de ruídos provenientes do sistema de

medição e aquisição de dados.

Por fim, o trabalho de Salim et al., 2014, apresenta a validação experimental de uma

modelagem matemática proposta para um controlador denominado SN-PID (Self-Regulation

Nonlinear PID (PID não-linear com ganho automático)) que consiste em uma aplicação de

uma função adicional ao controlador PID de forma a compensar as não linearidades do

sistema. Este algoritmo foi aplicado a um controlador pneumático linear de dupla ação com

curso de 500 mm. Como elementos de instrumentação, destacam-se o uso de placa de

aquisição comercial (NI-PCI-6221 card) acopladas a um microcomputador, além de válvula

proporcional 5/3 vias e sensor sem contato para aquisição do valor de posição e sensores de

pressão. A construção do modelo matemático proposto e a implementação da rotina de

controle sob regras de SOTR com intervalo de amostragem de 0.01 segundo foram realizadas

usando o software Matlab/Simulink. Os ensaios experimentais permitem comparar as

respostas à aplicação de um degrau unitário com passo de 400 mm para diversas cargas

acopladas ao atuador (3.2 kg, 8.4 kg, 13.5 kg, 23 kg e 28 kg). Para um ensaio realizado com

massa de 13.5 kg, utilizando diferentes estratégias de controle (PID convencional, N-PID

(PID não linear) e controle por modos deslizantes – SMC), verifica-se uma melhor

performance associada ao controlador SN-PID para cargas de até 28 kg, em relação às

respostas do controle N-PID (menor velocidade) PID convencional e SMC (mais oscilatórias).

Os erros encontrados no estado estacionário para os controladores SN-PID e N-PID são da

Page 58: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

40

ordem de 0.01 mm enquanto para os controladores PID e SMC concentram-se na faixa de 0.1

a 0.5 mm.

Segundo Macêdo et al., 2004, uma das principais atividades na implementação de

sistemas de tempo real consiste no mapeamento dos requisitos temporais das aplicações e

suporte de execução. Um dos meios para facilitar essa tarefa consiste na adoção de linguagens

de programação e ambientes de execução com características especiais capazes de traduzir e

atender a esses requisitos. Nas subseções a seguir estão resumidos os principais sistemas

operacionais de tempo real pesquisados que podem ser aplicados nessa tarefa.

3.4.1 RTAI / Xenomai

O real time application interface for Linux (RTAI) é um sistema operacional de tempo

real de código aberto e licença não-proprietária, cuja execução se realiza de forma cooperativa

junto ao Sistema Operacional de Propósito Geral (SOPG) Linux nativo. Essa estratégia

garante alto grau de previsão temporal de tarefas e possibilita a execução de processamento

multitarefas de tempo real do tipo hard (restrições temporais críticas). A implementação

destes sistemas na forma de microkernel (sistema operacional com número reduzido de

recursos/serviços) é baseada em uma camada de abstração denominada adaptative domain

environment for operating systems (ADEOS) cuja função é a de realizar a otimização do

sistema para o acesso a recursos de hardware.

Segundo Santos e Lima, 2009, para execução de tarefas de tempo real, este sistema

utiliza a abordagem de redirecionamento de interrupções, conhecida como interrupt

abstraction, onde o kernel de tempo real é executado independentemente do kernel do SOPG.

Ainda de acordo com os mesmos autores, o mecanismo de funcionamento do RTAI consiste

em modificar o kernel do SOPG para que as tarefas executadas pelo kernel nativo tenham

baixa prioridade em detrimento das gerenciadas pelo SOTR. Assim, as interrupções são

tratadas primeiro pelo SOTR e, caso não sejam destinadas a ele, passam para o SOPG.

Durante a execução das tarefas de tempo real, os processos próprios do kernel Linux são

suspensos.

Conforme Regnier, Lima e Barreto, 2008, quando uma requisição de interrupção

acontece, o nanokernel identifica se esta é relativa a uma tarefa de tempo real ou se é

destinada a um processo Linux. No primeiro caso, o tratador de interrupção é executado

Page 59: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

41

imediatamente. Caso não identifique, a tarefa é enviada para o kernel Linux para execução

durante a ausência de tarefas de tempo real.

O real time framework for Linux (Xenomai) é um framework de tempo real que

trabalha em cooperação com o kernel do Linux nativo visando a fornecer um amplo suporte

hard real-time a aplicações em espaço de usuário [Pinheiro, 2009]. Implementado a partir do

mesmo projeto RTAI, este SOTR se baseia na abordagem de dual kernel, na qual um

nanokernel é executado ao lado do kernel padrão do Linux sobre o mesmo hardware de

maneira concomitante. Ocorre aplicação de uma camada de abstração ao sistema padrão,

baseada no ADEOS, que tem o objetivo de modificar as tarefas de Linux nativo para

operações de baixa prioridade, além de inibir quaisquer interrupções provindas de processos

Linux nativo para garantia de execução das tarefas de tempo real em modo prioritário, sem

interferências. Fundamentalmente, o Xenomai segue uma filosofia de co-kernel, tendo um

escalonador de tempo real para tarefas de tempo real e o Linux para tarefas sem regras

temporais restritas [Viegas, 2015]. O co-kernel é responsável pelo gerenciamento das tarefas

de tempo real que são executadas no ambiente Linux [Yaghmour, 2009 apud Mello;

Sarcinelli-Filho, 2014].

De acordo com Pinheiro, 2009, os sistemas RTAI e Xenomai fornecem suporte para

mecanismos de sincronização inter-tarefas, semáforos, mutexes, filas, mailboxes e serviços de

tempo real a aplicações rodando em espaço de usuário, além da possibilidade de atribuição de

tarefas a CPUs específicos. Ambos sistemas são portáveis a arquiteturas como PowerPC e

ARM.

3.4.2 QNX Neutrino

O sistema operacional de tempo real QNX Neutrino (compatível com padrão portable

operating system interface (POSIX) e certificado pelas normas DO-2789 e MIL-STD-1553

10)

é um microkernel voltado para aplicações de sistemas embarcados em plataformas ARM e

x86. As políticas de escalonamento disponíveis neste SOTR se dividem em: FIFO,

RoundRobin, Sporadic, Adaptative Partitioning Scheduler, o que permite adaptação do SO de

9 Norma regulamentadora de software para aplicação em sistemas de comunicações, navegação, vigilância e

gerenciamento de tráfego aéreo. 10

Normatização Americana que define características mecânicas, elétricas e funcionais de barramento de

comunicação de dados.

Page 60: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

42

acordo com as características mais adequadas à aplicação, garantindo tempo de resposta

adequada e altamente previsível (determinístico).

Nesta arquitetura, o microkernel implementa apenas quatro serviços essenciais:

escalonamento, comunicação entre tarefas, comunicação de rede e detecção de interrupções.

Todo restante do sistema (inserção de drivers, arquivos e bibliotecas) são implementados

como tarefa de usuário, tornando o kernel rápido, confiável e relativamente pequeno

[Barabanov, 1997 apud Aroca, 2008]. Há suporte para as características essenciais de um

SOTR, como: semáforos binários (mutex), modelagem simplificada para tarefas de tempo real

através da passagem síncrona de mensagens, além de suporte a ambientes multi-core,

interface gráfica e integração com aplicações Java®.

O QNX possui uma versão gratuita de código aberto para utilização em sistemas com

finalidade não comercial. Para equipamentos comerciais, são disponibilizadas licença com

diferentes níveis de privilégios. É amplamente difundido no meio industrial para aplicações

em controle de operações críticas, como usinas nucleares, equipamentos robóticos,

automotivos, instrumentos médicos, além de sistemas aeronáuticos e de defesa aeroespacial.

3.4.3 FreeRTOS

O FreeRTOS é um sistema multitarefas, de código aberto, gratuito (livre de licenças),

mantido pela Real Time Engineers Ltd., desenvolvido de acordo com o padrão MISRA C

(MISRA é a sigla de Motor Industry Software Reliability Association, que é uma associação

de empresas, principalmente da área automotiva, cujo objetivo é promover boas práticas para

o desenvolvimento de produtos eletrônicos automotivos) [Denardin e Barrichello, 2019].

Uma característica importante deste SOTR é o tamanho do seu kernel (em torno de 6

kB) o que torna possível a sua aplicação em sistemas embarcados que utilizam controladores

digitais onde existe restrição operacional em função da quantidade de memória disponível e

capacidade de processamento (microkenel baseado em linguagem C cujo código fonte possui

pouco mais de 2000 linhas). Este sistema possui portabilidade para mais de 30 diferentes

arquiteturas (ARM, Atmel, ESP e PIC, de 8 a 32 bits), além de suporte a funções essenciais de

sistemas de tempo real, como mecanismos de sincronização baseado em semáforos binários

(mutex), semáforos de contagem e filas de comunicação entre tarefas (Message Queue),

suporte para processamento paralelo e aplicações de baixo consumo de energia.

Page 61: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

43

Neste SOTR, o escalonamento de tarefas é selecionável pelo usuário nos modos

preemptivo (round-robin), cooperativo ou híbrido. As tarefas são implementadas pelo usuário

(em linguagem "C") no formato de pequenos programas que possuem um ponto de entrada e

que é executado sem interrupção [Frigieri et al., 2014]. O sistema permite que as aplicações

sejam organizadas em forma de tarefas (tasks ou threads) de forma independente. A troca de

mensagens entre tarefas é realizada através de um sistema baseado em fila (queue); as quais

podem armazenar valores finitos para utilização conforme estratégia FIFO (first-in, first-out).

As filas são objetos do sistema que não fazem parte da tarefa específica. Dados inseridos

nestas estruturas podem ser acessados por qualquer tarefa, permitindo a sincronização do

sistema [Frigieri et al., 2014]. O FreeRTOS pode ser utilizado em aplicações onde requisitos

de tempo são críticos (hard real time).

Existe boa disponibilidade de documentação de referência para utilização e

implementação deste sistema, que incluem diversos tipos de projetos, o que facilita o processo

de aprendizagem do desenvolvedor de sistemas. Neste sentido, o FreeRTOS foi utilizado no

presente projeto para implementação de um algoritmo de controle com operação em tempo

real, conforme descrito na Seção 5.1.

A seguir, no Capítulo 4 são apresentados os dispositivos (sensoriamento,

condicionamento, atuação e computação) utilizados na estruturação da bancada para um

servoposicionador pneumático, a montagem física dos componentes e as soluções

implementadas no tocante ao desenvolvimento de interfaces de condicionamento de sinais dos

sensores para realização dos testes experimentais.

Page 62: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

44

4 IMPLANTAÇÕES EXPERIMENTAIS

Este capítulo aborda os tópicos relacionados ao aparato utilizado nos testes

experimentais, englobando a descrição da montagem física do servoposicionador pneumático,

as etapas relacionadas à seleção de componentes e as soluções desenvolvidas para aquisição e

condicionamento de sinais.

4.1 Introdução

A Figura 4.1 apresenta uma fotografia da bancada experimental utilizada para a

realização dos testes experimentais no âmbito do presente trabalho. Este sistema está instalado

no Laboratório de Mecatrônica e Controle (LAMECC) no Departamento de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFGRS).

Figura 4.1 – Bancada de testes no LAMECC

Page 63: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

45

4.2 Descrição Geral do Sistema

A Figura 4.2 representa o arranjo de construção do sistema, composto por uma válvula

reguladora de pressão com filtro acoplado, um vaso de pressão, uma servoválvula direcional,

dois sensores de pressão, um cilindro atuador de dupla ação sem haste, uma sensor resistivo

linear (régua potenciométrica), um microcontrolador (MCU), dois circuitos eletrônicos: um

para condicionamento de sinais dos sensores e um driver para sinal de acionamento da

servoválvula direcional e um microcomputador formato IBM-PC. Este sistema se comporta

de acordo com as características de operação e funcionamento descritas na Seção 1.1.

Figura 4.2 – Esquema da bancada experimental

Com o objetivo de facilitar a descrição do sistema, divide-se o conjunto em 5 partes de

acordo com a sua funcionalidade: tratamento de fluído; atuador pneumático;

transdução/sensoriamento de sinais; controle e driver.

O conjunto relativo à etapa de tratamento de fluído é composto por um vaso de

pressão e por uma unidade de regulagem de pressão e filtro. O vaso de pressão, ligado em

paralelo com a servoválvula, funciona como um filtro que reduz flutuações de pressão no

sistema por utilização do ar comprimido na operação. A unidade de regulagem de pressão

Page 64: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

46

permite o ajuste e manutenção da pressão de trabalho em valores aproximadamente constantes

e adequados à operação segura dos atuadores, ao passo que o filtro tem por responsabilidade a

retenção de particulados contaminantes presentes no ar comprimido, como poeira e água

oriunda da própria atmosfera, presentes na rede de suprimento de ar comprimido.

A parte correspondente ao atuador pneumático compreende uma servoválvula

direcional e um cilindro atuador. A servoválvula direcional atua no controle da força e direção

do movimento do cilindro pneumático conforme o sinal de controle aplicado. Os sensores de

posição e pressão das câmaras atuam no fornecimento de informações relativas ao estado da

planta para o sistema de controle. A posição do êmbolo móvel do atuador pneumático é obtida

a partir de uma régua potenciométrica, enquanto que as pressões internas às câmaras do

atuador pneumático são adquiridas através de transdutores de pressão conectados dentre a

saída da válvula proporcional e as entradas do atuador pneumático.

Para utilização das informações dos sensores pelo sistema de controle digital, a etapa

de condicionamento de sinais objetiva o ajuste a valores adequados, compatíveis com o

sistema de aquisição, dos sinais dos sensores em níveis de tensão e impedância, além da

filtragem ativa de ruídos. Os sinais são entregues ao microcontrolador que executa as

operações em tempo real, tais como de conversão analógico-digital (ADC), geração do sinal

elétrico de controle (DAC/PWM) e envio de dados por meio de comunicação padrão USB

para um computador formato IBM-PC. O sinal de controle em tensão elétrica gerado pelo

microcontrolador é amplificado por um driver eletrônico de potência, também com o objetivo

de adequar o sinal a valores adequados para atuação na servoválvula.

4.3 Componentes

São descritos a seguir os componentes que integram cada um dos quatro subsistemas

acima apresentados.

4.3.1 Componentes do Sistema de Tratamento de Fluído

Para interconexão dos diferentes componentes do conjunto (vaso de pressão, regulador

de pressão e filtro, atuador pneumático, transdutores de pressão e válvula direcional) foram

utilizadas conexões com engate rápido [Festo, 2019], além de tubos pneumáticos com

capacidade de operação em até 10 bar.

Page 65: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

47

4.3.1.1 Vaso de Pressão

O vaso de pressão posicionado entre o regulador de pressão e filtro e a servoválvula

tem por objetivo reduzir variações de pressão de trabalho decorrentes do consumo em

operação. As principais características estão descritas na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 – Principais características do vaso de pressão [Adaptado de Kunz, 2006].

Norma NBR8460

Pressão de serviço 1,7 MPa

Massa 45 kg

Volume total 108 litros

4.3.1.2 Regulador de Pressão e Filtro

A unidade de tratamento de ar (Festo, LFR-1/4-D-MIDI), apresentada na Figura 4.3,

realiza as funções de regulagem de pressão e filtragem do ar comprimido em um único

componente.

(a) Aspecto físico do componente (b) Representação esquemática

Figura 4.3 – Unidade de tratamento de ar e representação esquemática do componente

[Adaptado de Festo, 2019].

A Figura 4.3a mostra o aspecto físico do componente enquanto a Figura 4.3b

apresenta a representação esquemática do componente, onde 1 é a entrada de ar comprimido

Page 66: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

48

(pressão primária), 2 é a saída do ar para processo (pressão secundária) e 3 é a saída de água

(purgador) resultante do processo de desumidificação. A regulagem da pressão é realizada

através do ajuste manual de (manômetro) acoplado ao componente.

As informações referentes à unidade de tratamento de ar estão apresentadas na

Tabela 4.2.

Tabela 4.2 – Principais características da unidade de tratamento de ar [Adaptado de Festo,

2019].

Grau de Filtragem 40 µm

Volume máximo do condensado 22 cm3

Indicador de pressão Manômetro

Faixa de Regulagem de Pressão 0,5 – 12 bar

Pressão primária (entrada) 1 – 16 bar

Histerese de pressão máxima 1400 ℓ/min

Temperatura do meio -10 a 60°C

Temperatura ambiente -10 a 60°C

Massa 460 g

4.3.2 Componentes do Atuador Pneumático

Os dois principais componentes do subgrupo do atuador pneumático são a

servoválvula direcional e o cilindro atuador de dupla ação sem haste.

4.3.2.1 Servoválvula Direcional

Uma válvula de controle direcional proporcional (Festo-MPYE-5-1/8-HF-010-B),

apresentada na Figura 4.4, foi utilizada para comandar o pistão, pois permite o controle do

movimento do cursor do atuador pneumático em ambos os sentidos de movimento. A Figura

4.4a mostra o aspecto físico do componente enquanto que a Figura 4.4b mostra uma

representação esquemática, sendo o ponto indicado pelo algarismo 1 a entrada de ar

comprimido do sistema, os pontos 2 e 4 são os de utilização (saída balanceada de ar)

conforme aplicação do sinal de controle em 6. Os pontos 3 e 5 representam as saídas para a

atmosfera do ar exaurido durante a operação de esvaziamento das câmaras internas do

atuador pneumático.

Page 67: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

49

(a) Aspecto físico do componente (b) Representação esquemática

Figura 4.4 – Válvula direcional proporcional [Adaptado de Festo, 2019].

Na Tabela 4.3 se encontram as principais características funcionais da válvula de

controle direcional utilizada.

Tabela 4.3 – Principais características da servoválvula direcional [Adaptado de Festo,

2019].

Diâmetro nominal 6 mm

Tipo de acionamento Elétrico

Princípio construtivo Válvula corrediça do êmbolo

Tipo de reposição Mola magnética

Tipo de Pilotagem Direto

Sentido da vazão Não reversível

Pressão de operação 0 – 10 bar

Vazão nominal padrão 700 ℓ/min

Frequência limite 100 Hz

Histerese máxima 0,4 %

Tensão de alimentação 17 – 30 VDC

Ondulação residual 5%

Valores teórico / real Tipo de tensão 0 – 10 VDC

Meio operacional Grau de filtragem em 5 µm

Massa 330 g

Page 68: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

50

Nas conexões 3 e 5 foram utilizados silenciadores (Festo-U-1/8-B) cujas

características se encontram na Tabela 4.4.

Tabela 4.4 – Principais características dos silenciadores [Adaptado de Festo, 2019].

Pressão de trabalho 0 – 10 bar

Vazão para atmosfera 1204 ℓ/min

Pressão sonora 74 dB

Massa 8 g

4.3.2.2 Cilindro Atuador

Utilizou-se o cilindro atuador de dupla ação, sem haste (Festo DGPL-25-1000-PP-V-

A-KF-B), apresentado na Figura 4.5.

(a) Aspecto físico do componente (b) Representação esquemática

Figura 4.5 – Cilindro atuador dupla ação sem haste [Adaptado de Festo, 2019].

Neste cilindro, há transmissão direta do movimento do êmbolo do atuador para o carro

móvel por meio de uma guia conectora. Na Figura 4.5a é apresentada uma imagem do

componente físico, enquanto que a Figura 4.5b representa a sua simbologia técnica.

As principais características construtivas e de operação referentes ao cilindro sem

haste utilizado neste trabalho (Festo DGPL-25-1000-PP-V-A-KF-B) estão apresentadas na

Tabela 4.5.

Page 69: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

51

Tabela 4.5 – Principais características do cilindro de dupla ação [Adaptado de Festo, 2019].

Curso 1000 mm

Diâmetro do êmbolo 25 mm

Amortecimento Ajustável em ambos limites

Pressão de trabalho 2 a 8 bar

Modo de operação Dupla ação

Temperatura de operação -10 a 60 °C

Curso de amortecimento 18 mm

Velocidade máxima de operação recomendada 1 m/s

Carga de flexão no eixo X (Fig. 3.3c) 430 N

Carga de flexão no eixo Y (Fig. 3.3c) 430 N

Momento longitudinal Mx (Fig. 3.3c) 5,4 Nm

Momento longitudinal My (Fig. 3.3c) 14 Nm

Momento longitudinal Mz (Fig. 3.3c) 14 Nm

Força teórica a 6 bar, avanço / retorno 295 N

Peso básico para curso de 0 mm 1,52 kg

Fator de massa adicional por 10 mm de curso 0,053 kg

4.3.3 Sensores e Transdutores

Este subsistema é composto pela régua potenciométrica linear e pelos sensores de

pressão.

4.3.3.1 Régua Potenciométrica

Para medição do estado instantâneo da posição do êmbolo do atuador pneumático,

utilizou-se uma régua potenciométrica (Festo MLO-POT-1000-TLF). Optou-se pela utilização

deste sensor em função do comprimento de curso de medição serem os mesmos do atuador e

por não necessitar de dispositivos extras, como engrenagens ou correias para acoplamento ao

cursor móvel da régua ao atuador pneumático.

A Figura 4.6 apresenta a imagem comercial do componente (18ª) e a simbologia

esquemática (4.6b). A régua potenciométrica é alimentada com 24 VDC entre os pinos 1 e 2,

Page 70: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

52

com saída proporcional à posição do cursor, variando entre 0 e 24 VDC entre os pinos 3 e 2. A

Tabela 4.6 apresenta as principais características deste dispositivo.

(a) Aspecto físico do componente (b) Representação esquemática

Figura 4.6 – Régua potenciométrica [Adaptado de Festo, 2019].

Tabela 4.6 – Principais características do transdutor de posição [Adaptado de Festo, 2019].

Curso máximo 1000 mm

Princípio de medição Analógico

Resolução 0.01 mm

Peso 2,2 kg

Tensão mínima de alimentação 10 VDC

Resistência ôhmica máxima 10 kΩ

Corrente máxima 4 mA

Linearidade 0,04%

Conector (tipo) Plug 4 pinos, tipo A DIN43 650

4.3.3.2 Sensores de Pressão

Para aquisição da pressão interna de cada uma das câmaras do cilindro atuador, foram

utilizados dois sensores de pressão absoluta (Wika S-10, Figura 4.7). Apesar de não serem

utilizados diretamente na implantação dos algoritmos de controle utilizados no corrente

projeto, os sensores de pressão fazem parte da estrutura tradicional de uma bancada de

desenvolvimento de algoritmos de controle, seja, por conta da necessidade de utilização das

informações de pressão medidas diretamente no algoritmos de controle (como em Perondi,

2002, por exemplo), seja para avaliação de modelos matemáticos desenvolvidos, ou mesmo

Page 71: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

53

para verificar o funcionamento adequado da bancada experimental (avaliar o comportamento

da pressão de suprimento, por exemplo).

Cada sensor foi acoplado entre a saída da servoválvula (conexões 2 e 4 da Figura

4.6b) e a entrada do atuador pneumático. Estes sensores foram selecionados por

apresentarem range de medição de pressão dentro da faixa de valores utilizados durante a

realização dos ensaios experimentais. As principais especificações técnicas deste sensor

estão relacionadas na Tabela 4.7.

Tabela 4.7 – Principais características do sensor de pressão [Adaptado de Wika do Brasil,

2019].

Escala 0 – 10 bar

Sinal de Saída 0 – 10 VDC ou 4 – 20 mA

Alimentação 10 – 30 VDC

Tempo de resposta ≤ 1 ms

Peso 300 g

Proteção Dielétrica 500 VDC

Precisão 25 mbar

Não linearidade ≤ ± 0,2%

Figura 4.7 – Sensor de pressão [Adaptado de Wika do Brasil, 2019].

4.3.4 Fonte de Tensão Elétrica

A alimentação elétrica para o funcionamento dos sensores, servoválvula,

condicionadores de sinal e driver de potência foi promovida por uma fonte chaveada de

Page 72: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

54

tensão ajustável (Marca Politerm – modelo POL-16E), conforme Figura 4.8. Esta fonte de

tensão possui duas saídas com ajuste de tensão contínua que podem operar de forma

independente, em paralelo ou em série, o que torna possível a utilização em sistemas que

necessitam potências mais elevadas ou em sistemas eletrônicos que operam com tensões de

alimentação distintas.

Figura 4.8 – Fonte de tensão ajustável [Adaptado de Politerm, 2019].

As principais especificações elétricas e de funcionamento da fonte de alimentação

utilizadas estão descritas na Tabela 4.8.

Tabela 4.8 – Principais características da fonte [Adaptado de Politerm, 2019].

Alimentação 110 / 220 V

Operação em modo independente 0 a 32 VDC – 5 A

Operação em modo paralelo 0 a 64 VDC – 5 A

Operação em modo série 0 a 32 VDC – 10 A

Peso aproximada 11 kg

Consumo máximo 580 W

Regulação tensão ≤ 0,01% + 3 mV (corrente < 5 A)

Ripple e ruído ≤ 1 mVRMS (5 Hz a 1 MHz, ≤ 5 A )

Temperatura de operação 0 a 40 °C

Page 73: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

55

4.3.5 Microcontrolador

Para a aplicação no controle da bancada pneumática, utilizou-se um microcontrolador

ESP32 da fabricante Espressif, especificado por conta dos critérios e características descritas

nas seções que seguem.

4.3.5.1 Seleção do Microcontrolador

Devido à grande disponibilidade no mercado de diferentes modelos de

microcontroladores dotados dos mais diversos recursos e periféricos e com custo atrativo, é

necessário o estabelecimento de premissas que possam adequar à correta escolha de um

componente para o atendimento das necessidades previstas para a aplicação desejada. Na

Tabela 4.9 são elencadas as principais características analisadas dentre três diferentes

microcontroladores de diferentes fabricantes (Espressif Systems®, Microchip

® e Atmel

®) para

a escolha de um microcontrolador, sendo considerado o microcontrolador Node MCU ESP32

da fabricante Espressif o mais adequado à aplicação.

Tabela 4.9 – Características dos microcontroladores analisadas [Adaptado de Espressif, 2019;

Microchip, 2008; Atmel, 2011].

Características analisadas Microcontrolador

ESP32 PIC18F4550 ATMEGA2560

Quantidade de núcleos de processamento 2 1 1

Arquitetura 32 bits 8 bits 8 bits

Frequência de operação (clock) 240 MHz 48 MHz 16 MHz

Compilador + IDE gratuitos Sim Sim Sim

Montado em plataforma de prototipagem Sim Não Sim

Gravação firmware via USB Sim Sim Sim

Programação em linguagem C Sim Sim Sim

Suporte e documentação técnica acessível Sim Sim Sim

Suporte simulador (Proteus) Não Sim Sim

Suporta sistema operacional tempo real Sim Sim Sim

Page 74: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

56

4.3.5.2 Características do Microcontrolador Escolhido

O microcontrolador ESP32 é um dispositivo relativamente novo no mercado de

microcontroladores, porém em função de seu relativamente alto desempenho associado ao

baixo custo e baixo consumo de energia, pode ser aplicado em processos de manufatura

industrial e em aplicações embarcadas para controle de médio e baixo nível de complexidade.

Dentre as principais propriedades que o tornam atrativo para a aplicação em controle,

encontra-se:

a) dois processadores (dual core) Xtensa 32-bit LX6, arquitetura Harvard;

b) velocidade de até 600 DMIPS (milhões de instruções por segundo);

c) capacidade de operação em multiprocessamento (processamento paralelo);

d) código aberto com suporte a SOTR;

e) montado em placa de prototipagem (Node MCU ESP32).

A Tabela 4.10 apresenta a relação das principais características técnicas e operacionais

do dispositivo.

Tabela 4.10 – Principais características do ESP32 [Adaptado de Espressif, 2019].

Alimentação / Consumo 2,2 a 3,6 VDC / 80 mA

Nº GPIO / tensão operação / corrente máxima 34 / 3,3 VDC / 12 mA

N° pinos ADC integrado / resolução 14 / 12 bits

N° pinos DAC integrado / resolução 2 / 8 bits

Memória Flash 4 MB

Memória RAM 520 KB

Memória ROM 448 KB

Conversores ADC / Resolução 18 / 12-bits

Conversores DAC / Resolução 2 / 8-bits

N° temporizadores / resolução máxima 4 / 64 bits

Saída PWM / resolução 16 / 12 bits

Interfaces I2C / USART / CAN / SPI 2 / 2 / 1 / 4

Interface USB 2.0

Wi-Fi 2,4 GHz WPA/WPS

Bluetooth BLE

Page 75: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

57

A Figura 4.9 apresenta a disposição dos pinos do dispositivo juntamente com as

funcionalidades previstas para cada porta, e mostra o aspecto comercial do componente,

montado em uma placa de prototipação padrão, conforme utilizado no presente trabalho.

Na bancada, o ESP32 é dedicado às funções de aquisição e filtragem dos ruídos de

dados dos sensores de posição e pressão das câmaras, processamento do algoritmo de

controle, geração de sinal para atuação na válvula e envio dos dados resultantes do

processamento a um computador IBM-PC. Conforme Perondi, 2002, em aplicação ao

comando de servoposicionadores pneumáticos com algoritmos sofisticados de controle, estas

tarefas devem ser realizadas dentro de um ciclo de controle de, no máximo, 1 ms.

(a) Disposição dos Pinos do ESP32 (b) Node MCU ESP32

Figura 4.9 – Microcontrolador ESP32 [Adaptado de Espressif, 2019].

4.3.6 Sistema de Aquisição de Dados

O cálculo do sinal de controle a ser aplicado à válvula direcional proporcional depende

do monitoramento constante do estado da planta. As informações das variáveis físicas

referentes ao valor numérico e ordem de grandeza das variáveis podem ser obtidas através dos

sensores/transdutores agregados ao sistema; se convertidos em dados numéricos digitais,

podem ser processados pelo algoritmo de controle implantado.

Nas seções que seguem, são apresentados os dispositivos desenvolvidos e utilizados

para aquisição dos sinais, como conversores AD, interface de condicionamento e filtragem

eletrônica de sinais dos sensores, conversores DA, interface de potência para amplificação em

Page 76: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

58

tensão e corrente do sinal gerado pelo controlador e o processo de comunicação dos dados de

processamento com um computador pessoal.

4.3.6.1 Condicionamento de Sinais para o Microcontrolador

Em razão da necessidade de adequação nos níveis de tensão e corrente dos sinais

elétricos adquiridos a partir dos sensores de pressão e de posição em relação aos limites de

operação previstos em componentes eletrônicos, foi necessário o desenvolvimento e

implementação de uma topologia de circuito para o condicionamento de sinais (Figura 4.10).

Figura 4.10 – Diagrama de blocos do fluxo de sinais

Na Figura 4.11 é representado o diagrama de blocos do circuito condicionador de

sinais desenvolvido para esta aplicação.

Figura 4.11 – Diagrama de blocos simplificado do condicionador de sinais

Page 77: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

59

No condicionador de sinais, a etapa inicial de isolação tem por objetivo efetuar o

desacoplamento e o casamento de impedâncias entre os estágios de saída do sensor e de

entrada do circuito. A aplicação de um estágio de topologia diferencial e ganho unitário

somado a um filtro eletrônico analógico tipo passa-baixas objetiva a rejeição de tensões

transientes ocasionadas por interferências ou ruídos elétricos provenientes do ambiente que

poderiam ser prejudiciais ao bom desempenho do algoritmo de controle. As características do

filtro, representadas na Tabela 4.11 foram obtidas com a utilização do software FilterLab

versão 2.0.0.0 da fabricante Microchip Technology Inc.

Tabela 4.11 – Filtro de condicionamento de sinais implementado

Tipo Analógico – ativo

Desenho Buttherworth

Ordem 2

Frequência de corte 200 Hz

Resposta em Frequência Passa-baixos

Ordem de atenuação 0,5 dB

O diagrama esquemático eletrônico completo e os devidos cálculos, estratégias

utilizadas no desenvolvimento do circuito de aquisição de sinais e demais detalhes

construtivos estão apresentados no Apêndice A.

4.3.6.2 Conversor Analógico-Digital

Após a correção do sinal dos sensores para níveis adequados de potência (tensão e

corrente), filtragem e isolação elétrica, para que seja possível o processamento dos dados pelo

microcontrolador, é necessária a conversão do sinal analógico em um valor numérico

correspondente, o que é feito por um conversor AD. A função de um conversor AD é traduzir

o sinal analógico que varia continuamente no tempo em uma série de valores discretos em

uma quantidade suficiente de pontos de aquisição (amostragem) de forma que possa ser

definido o formato do sinal analógico.

Para a função de conversão analógico-digital, muitos microcontroladores possuem um

bloco específico e especializado para a conversão analógico-digital de um sinal elétrico

integrado ao seu hardware interno. De acordo com o teorema de Nyquist, a frequência de

amostragem tem de ser pelo menos duas vezes a componente de maior frequência do sinal

Page 78: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

60

analógico [Floyd, 2007]. Uma vez o sinal traduzido em uma série de valores discretos, os

mesmos são quantizados em códigos binários que representam a amplitude do sinal analógico

em cada instante amostrado. As características mais importantes de um processo de conversão

analógico-digital são: o range de entrada, a resolução, o número de bits, tensão do fundo de

escala, tempo de conversão, taxa de amostragem, erro de conversão, linearidade e relação

sinal/ruído.

O microcontrolador ESP32 possui 14 canais destinados para a conversão analógico

digital com resolução de 12 bits (Tabela 4.12) com taxa de amostragem de 100 ksps (cem mil

amostras por segundo), entretanto, foi verificado em folha de dados do componente, a não

linearidade no processo de conversão AD na ordem de ±6% na medida realizada entre

diferentes CIs de mesma nomenclatura [Espressif, 2019], em toda a faixa de entrada. Em função

do custo computacional para processamento de operações algébricas de correção e linearização

do sinal que comprometiam a execução do algoritmo em ciclo de controle em tempo

programado, utilizou-se a alternativa de um componente eletrônico externo com a mesma

função para realização deste objetivo. Logo, o conversor analógico-digital MCP3208 da

fabricante Microchip foi escolhido devido à suas características operacionais condizentes com a

necessidade deste trabalho, apresentadas na Tabela 4.12.

Tabela 4.12 – Características técnicas do MCP3208 Adaptado de Microchip, 2019].

Resolução / Método de Conversão 12 bits / SAR

N° de canais de entrada 8

Taxa de amostragem 100 ksps

Alimentação 2,7 a 5,5 VDC

Fundo de escala 3,3 V

Potência sinal entrada 0 a 3,3V / 100 µA

Interface de Comunicação SPI

Não linearidade Integral ±1 LSB

Não linearidade Diferencial ±1 LSB

A Figura 4.12 mostra o aspecto comercial do componente e a referência de pinos de

operação.

Page 79: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

61

(a) Aspecto comercial do componente (b) Disposição dos Pinos do MCP3208

Figura 4.12 – MCP3208 [Adaptado de Microchip, 2019].

Os dados resultantes da conversão do sinal analógico pelo componente são enviados

ao microcontrolador já em formato digital através do protocolo SPI (do inglês serial

peripheral interface ou interface de dados periféricos).

4.3.6.3 Condicionamento de Sinais de Saída

Para o acionamento de válvulas direcionais por meio do sinal de controle gerado pelo

ESP32, já que este opera com potência bastante reduzida há necessidade de utilização de uma

interface eletrônica entre a saída do microcontrolador e a entrada da válvula proporcional,

cujo objetivo é a aplicação de um ganho em potência (amplificação em tensão e corrente

elétrica) ao sinal de controle provindo do sistema lógico.

No circuito de condicionamento de sinais de saída implementado (driver), as variáveis

de interesse são os limites de potência elétrica (valores de tensão e corrente) necessários para

o correto acionamento da servoválvula direcional e o formato do sinal de controle.

Neste sentido foram consideradas as seguintes premissas:

a) a válvula proporcional pneumática utilizada neste trabalho (descrição na Seção

2.2.2) é acionada por dois níveis de tensão elétrica em dois terminais distintos;

uma de +24VDC fixa, que alimenta o circuito interno à válvula, e outra ajustável

de 0 a +10VDC, responsável pelo controle proporcional e direcional da vazão de

ar no componente;

b) os sinais gerados pelos controladores digitais podem ser de tensão (típico de

conversores digital analógico), cuja amplitude depende das características do

conversor, ou sinal pulse width modulation (PWM – modulação por largura de

Page 80: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

62

pulso), que consiste em um trem de pulsos de onda quadrada, de frequência

constante e com possibilidade de modificação nos períodos de tempo de

permanência do sinal em nível lógico alto (ligado) e nível lógico baixo

(desligado).

O circuito condicionador de sinais desenvolvido para esta aplicação tem como

diagrama de blocos a Figura 4.13.

Figura 4.13 – Diagrama de blocos do driver de potência desenvolvido

Destaca-se neste circuito a implementação de estágios de isolação e casamento de

impedâncias entre microcontrolador e driver, com o intuito de garantir os níveis de tensão de

saída adequados para acionamento da válvula. A etapa de potência utiliza topologia de

amplificadores classe AB para geração de sinal com potência adequada ao acionamento da

válvula proporcional.

O diagrama eletrônico esquemático completo e os devidos cálculos, estratégias

utilizadas no desenvolvimento e demais detalhes construtivos do circuito do driver de

potência descrito nesta seção estão apresentados no Apêndice B.

4.3.7 Comunicação USB

A comunicação do microcontrolador com o computador foi realizada através da

conexão USB, disponível em ambos equipamentos. O microcontrolador (device) envia ao

computador (host), em ciclos com intervalo de 1 ms, informações relativas ao processamento

de dados realizados pelo algoritmo de controle implementado. Os dados coletados na planta

Page 81: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

63

enviados pelo microcontrolador (pressões, posição, referência, tempo, etc.) estão configurados

para processamento de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI). Os algoritmos

implementados não utilizam para o controle os dados dos sensores de pressão interna às

câmaras do atuador pneumático, contudo servem para o monitoramento da operação do

sistema e sugere a aplicação de um trabalho futuro na qual se utilizem estas informações para

um controlador robusto de estados.

4.3.8 Microcomputador

O microcomputador utilizado neste trabalho é um notebook do tipo Intel Core i3-

4005U, 8Gb de memória RAM e HD de 500Gb. A CPU foi utilizada para recebimento dos

dados de processamento do microcontrolador e geração de gráficos. A coleta dos dados do

microcontrolador facilita a rotina da análise estatística de desempenho do controlador

implementado, bem como permite a manipulação dos dados para geração de gráficos

bidimensionais permitindo a visualização do comportamento das variáveis durante a operação

do sistema.

No Capítulo 5, que segue, será abordada a implementação dos controladores do

servoposicionador no tocante ao desenvolvimento de algoritmos de controle utilizando o

sistema operacional em tempo real.

4.3.9 Custos

A Tabela A.3, no Apêndice C, apresenta os valores de mercado dos componentes

utilizados para a implementação do controlador digital e suas interfaces.

Page 82: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

64

5 ROTINAS COMPUTACIONAIS DO SISTEMA DE CONTROLE

Neste capítulo serão analisadas e discutidas as funcionalidades necessárias para a

implantação do controle para o servoposicionador em tempo real com o objetivo de realização

de testes no sistema desenvolvido, além dos algoritmos implementados para o acionamento da

servoválvula e atualização das variáveis medidas da planta.

5.1 Rotinas Computacionais para o Controlador Digital

Conforme mencionado anteriormente (Seção 1.2), para controlar um sistema físico a

partir de um controlador digital, o controlador deve receber medições do sistema, processá-las

e enviar o sinal de controle para o atuador que afeta a ação de controle. Conforme Perondi,

2002, para garantir o uso de controladores sofisticados com segurança, em sistemas

pneumáticos de servoposicionamento, o intervalo de tempo de um ciclo de controle deve ser

de, no máximo 1 ms (frequência de 1 kHz).

Para garantia de execução das tarefas acima relacionadas pelo microcontrolador

utilizado em um tempo conforme adequado ao sistema (1 ms), optou-se pela utilização do

sistema operacional de tempo real FreeRTOS que atua como base para o desenvolvimento de

um sistema de tempo real. O FreeRTOS fornece ao usuário serviços de gerenciamento de

tarefas, controle de memória gerenciamento do tempo e controle dos dispositivos de entrada e

saída, tornando o desenvolvimento de aplicações de tempo real mais simples e prático [Barry,

2009 apud Galvão, 2010].

A estrutura comum observada para o processamento computacional pelo controlador

digital dentre as diferentes estratégias de controle, consiste na execução sequencial das

seguintes tarefas:

a) aquisição do sinal do sensor de posição;

b) aquisição dos sinais dos sensores de pressão das câmaras do atuador pneumático;

c) processamento numérico dos dados dos sensores pelo algoritmo de controle;

d) atualização e aplicação do nível de sinal de tensão aplicado à saída, resultante do

algoritmo de controle;

e) envio digital das informações relativas aos estados instantâneos para um sistema

de monitoramento de informações, externo ao microcontrolador.

Page 83: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

65

No FreeRTOS, as tarefas são unidades de trabalho independentes que compõem um

sistema multitarefa [Galvão, 2010]. Cada unidade de trabalho (tarefa) é construída com o

mesmo formato de uma função em linguagem C, que opera em um ciclo contínuo.

Considerando esta característica funcional do sistema, optou-se pela criação de duas tarefas

(tasks): a primeira referente ao laço de controle da planta (Seção 5.1.1), e a segunda com o

laço de comunicação de dados com o computador externo via porta USB (Seção 5.1.2).

5.1.1 Rotina de Controle

A tarefa denominada “tarefa de controle” engloba os processos referentes à aquisição

de dados dos sensores, processamento da estratégia de controle e geração de sinal a ser

aplicado à planta. Para aquisição do sinal de posição do êmbolo, o sinal de tensão elétrica

deve ser primeiramente convertido em um valor numérico análogo pela interface de

conversão AD (ver Seção 4.3.6). Tais valores numéricos devem ser transmitidos ao

microcontrolador para processamento pelo algoritmo de controle. O circuito integrado

MCP3208 possui o tempo de aquisição de dados para cada amostra sendo determinado pelo

inverso da frequência de amostragem, conforme Equação 2.5:

𝑇𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠𝑖çã𝑜 = 1

𝑓𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎𝑔𝑒𝑚=

1

100000 (𝑠𝑝𝑠)= 1𝜇𝑠 (2.5)

Para a aquisição do dado de posição com supressão de ruídos provindos do sensor

potenciométrico, o sinal da posição instantânea utilizado para processamento é o resultado da

média aritmética de dez aquisições sequenciais do sinal da régua potenciométrica. A

utilização do valor de posição resultante do valor médio das aquisições de posição tem por

objetivo estimar com uma maior precisão o valor da posição provido pelo conversor AD, além

de eliminar ruídos introduzidos pelo processo de quantização binária da conversão AD.

Se o sinal de entrada mudar aleatoriamente de amostra para amostra, em quantidades

(amplitudes) comparáveis à resolução da conversão (1 LSB, sigla de bit menos significativo)

e o sinal de entrada tem igual probabilidade de ser qualquer valor entre dois bits de resolução

adjacentes, o ruído pode ser modelado como aproximado ao ruído branco [Silicon Labs,

2019]. O ruído branco é, por definição, um sinal que possui a característica de distribuição

uniforme de sua potência em todo espectro de frequência (mesma densidade espectral).

O efeito relativo à aquisição de várias amostras do mesmo sinal remete ao efeito de

que a distribuição destes sinais em um histograma segue a Função Densidade de

Page 84: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

66

Probabilidade e se mostra associado a uma curva de distribuição gaussiana. A Figura 5.1

representa um exemplo de distribuição de um conjunto de leituras de um conversor AD para

uma aquisição de dados em um conversor de 12 bits na qual o eixo horizontal representa o

valor digital e o eixo vertical representa o número de amostras do sinal.

Figura 5.1 – Distribuição Gaussiana de amostragens em um conversor AD [Adaptado de

Silicon Labs, 2019].

O histograma apresentado na Figura 5.1 indica que um número expressivo de leituras

terá o seu valor próximo ou igual a 1024 (neste exemplo), sendo que as leituras próximas

(1023 e 1025) estão contaminadas com ruído branco (±1 LSB). No presente trabalho, em

função da tensão elétrica proporcional à posição medida pelo sensor ser praticamente estática

(sinal DC) no intervalo de tempo medido somada ainda a possíveis ruídos oriundos do

processo de conversão, a sobreamostragem e a média dos dados de posição contribuem para a

melhoria na relação de razão sinal ruído (SNR, sigla de signal to noise ratio) e para a

resolução efetiva da conversão de dados.

O valor numérico resultante da média aritmética das aquisições dos valores de posição

é submetido à sub-rotina de filtragem digital (IIR com frequência de corte de 120 Hz, Seção

5.4.1.1) e enviado, por meio do recurso de fila de mensagens (queues) para a rotina de envio

de dados USB. Os sinais dos sensores de pressão acoplados às câmaras do atuador

Page 85: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

67

pneumático foram obtidos através do processo de conversão analógico-digital do CI

MCP3208 não sendo realizados processos de filtragem digital dos sinais.

Figura 5.2 – Fluxograma das operações da tarefa de controle

Após a aquisição, filtragem e adequação dos dados de posição e pressões, são

executadas as operações referentes à estratégia de controle adotada, como determinação dos

incrementos de tempo, do vetor de estados de referência e do vetor de erros, além da execução

do processamento do algoritmo de controle e realização da atualização dos sinais da saída do

microcontrolador a ser aplicado à planta e do envio de informações para a rotina de

comunicação de dados pelas portas USB a partir das filas de trocas de mensagens (queue). A

Figura 5.2 apresenta um esquema representativo do fluxo de operações a serem executadas no

âmbito desta tarefa.

5.1.2 Rotina de Envio de Dados via USB

A rotina de comunicação USB tem por objetivo receber os dados das diferentes tarefas

programadas e enviar de maneira ordenada a um computador. As informações exibidas em

uma interface gráfica facilitam a interpretação dos estados dinâmicos do sistema e a sua

observação. A Figura 5.3 apresenta a sequência ordenada de operações para recebimento de

mensagens das diferentes filas.

Page 86: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

68

Figura 5.3 – Fluxograma referente à tarefa de envio das informações ao computador

Os valores enviados pelo microcontrolador ao computador (posição, pressões, unidade

de tempo, erro, etc.) encontram-se calibrados e convertidos em unidades do Sistema

Internacional (SI). Conforme já comentado, no corrente projeto, os dados referentes às

pressões internas das câmaras não são utilizados nos algoritmos de controle implementados,

servindo apenas para o monitoramento do sistema.

5.2 Configuração do Sistema Operacional e Organização das Rotinas Computacionais

no Controlador Digital

Tendo em vista o compromisso das garantias temporais exigidas pelo SOTR, neste

trabalho optou-se pela configuração padrão do sistema operacional FreeRTOS para operação

conjunta com o microcontrolador ESP32, no qual é utilizado o escalonador de tarefas

preemptivo baseado na prioridade tipo Round Robin, com time-slicing de 1 ms (que

corresponde a uma frequência de operação de 1 kHz).

Com o objetivo de evitar qualquer efeito relativo a sobrecarga nos processadores ou de

erros provindos de tarefas não finalizadas no prazo estabelecido, tornado assim sua utilização

segura, foi considerado o direcionamento das tarefas para execução paralela em diferentes

núcleos específicos (lembrando que o ESP32 possui duas CPU independentes), porém com a

atribuição de mesma prioridade. A tarefa referente à ‘rotina de controle’ foi atribuída ao

Page 87: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

69

núcleo “0”, enquanto a tarefa referente à rotina de ‘envio de dados via USB’ foi atribuída para

execução ao núcleo “1”, ambas com prioridade de grau 2. O sincronismo entre as diferentes

tarefas atribuídas aos diferentes processadores é garantido pela utilização de filas de

mensagens. Conforme Mello e Sarcinelli-Filho, 2014, a intercomunicação provê mecanismos

de comunicação entre tarefas, como a troca de mensagens e filas, comuns entre processos que

dependem uns dos outros para a própria execução.

5.3 Ambiente de Programação

Para programação do conjunto de instruções relativo às rotinas das diferentes

estratégias de controle, foi utilizada a IDE Arduino, versão 1.8.9. A opção pela utilização

desta interface de desenvolvimento integrada foi baseada em quesitos como a estabilidade de

operação adequada, recursos integrados de utilização de bibliotecas para acesso a periféricos e

configuração de registradores, suporte para transferência e gravação do firmware diretamente

no hardware do microcontrolador via porta USB, gratuidade, reduzido tempo de aprendizado,

farta disponibilidade de informações em comunidade de desenvolvedores e literatura

especializada.

5.4 Descrição do Ensaio Padrão

A descrição do procedimento utilizado para os ensaios experimentais para medição da

robustez e do desempenho do controlador desenvolvido é um ponto importante deste trabalho.

Basicamente, consiste em três operações: programação do algoritmo de controle, sintonia dos

ganhos que mais se aproximam de um desempenho esperado e a análise dos dados. Os

algoritmos programados estão descritos nas Seções 5.4.1 (PID), e 5.4.2 (slide mode), sendo as

trajetórias de referência descritas na Seção 5.4.3.

5.4.1 Controle PID

O projeto deste controlador foi desenvolvido utilizando as regras do software

FreeRTOS, operando em tempo real com laço de controle em repetições a cada 1 ms. As

características de operação deste tipo de controlador foram descritas na Seção 2.5.1. Para a

estimativa de relação de ganhos para o controlador PID foi utilizado o segundo método de

Ziegler-Nichols [Ogata, 2010] resultando a partir da aplicação do ganho crítico 𝐾𝑐𝑟 = 36,04

Page 88: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

70

ao sistema o período de oscilação de 0,209𝑠 (frequência 4,784 𝐻𝑧). Entretanto foi realizada

de maneira empírica a sintonia fina do controlador, sendo os ganhos 𝐾𝑝 = 38,01, 𝐾𝑖 = 3,22,

𝐾𝑑 = 0.89 ajustados pela medição dos melhores resultados, no controle de seguimento de

trajetória, obtidos através dos ensaios realizados.

Figura 5.4 – Diagrama de blocos – controle PID

A exemplo de Cukla, 2012, a saída do controlador foi limitada aos níveis máximos de

mínimos de tensão aplicados à válvula de controle direcional, definidos entre +1 e −1. Estes

valores foram aplicados a um bloco de multiplicação do sinalpara ajuste dos valores de tensão

entre 0 e 10 (V), sendo a referência em 5,1 (V), correspondente ao ponto de centragem da

válvula. A Figura 5.4 apresenta o diagrama de blocos do controlador PID.

5.4.1.1 Filtro Digital IIR - Posição

O sinal da posição do êmbolo conta, além dos filtros analógicos implantados da etapa

de condicionamento de sinais, com mais um estágio de filtro digital, implantado por software.

Para o sinal de posição, utilizou-se um filtro digital do tipo IIR implementado a partir da

técnica da transformada bilinear para frequência de corte de 120 Hz considerando taxa de

amostragem de 1kHz. A Tabela 5.1 especifica as características do filtro implementado.

O valor estabelecido para a frequência de corte e a ordem deste filtro digital tem por

objetivo diminuir o efeito de ruídos indesejados provindas do sistema de alimentação do

microcontrolador, do sensor de posição e de outras fontes eventuais. Conforme Cukla, 2012,

este valor leva em consideração o compromisso entre a atenuação do ruído e o atraso

introduzido no sinal de entrada, o qual pode comprometer o desempenho dos controladores,

principalmente quanto à capacidade de rejeição de perturbações.

Page 89: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

71

Tabela 5.1 – Características do filtro digital para dados de posição

Tipo Digital - IIR

Desenho Buttherworth

Ordem 1

Frequência de corte 120 Hz

Resposta em frequência Passa-baixos

5.4.2 Controle SMC

Assim como no controlador PID, as mesmas técnicas de desenvolvimento de software

foram utilizadas para implementação do controle por modos deslizantes, cujas características

operacionais se encontram descritas na Seção 2.5.2. Na Figura 5.5, a superfície de

deslizamento (Equação 5.1) utilizada para o problema de seguimento de uma trajetória de

ordem 3, onde 𝜀(𝑡) = 𝑦(𝑡) − 𝑦𝑑(𝑡), é o erro de posicionamento, é a velocidade e é a

aceleração do sistema.

Para a estimativa inicial de valores de ganhos para o controlador por modos deslizantes,

definiu-se os valores de 𝑆1 ≡ 𝜔𝑛2 e 𝑆2 ≡ 2𝜁𝜔𝑛, onde 𝜔𝑛 é a frequência natural do sistema e 𝜁 é

o índice de amortecimento. De acordo com Perondi e Guenther, 1999, estes valores podem ser

definidos por qualquer critério de projeto, a partir do tempo de assentamento e máximo

sobrepasso aceitável. Desta forma, como critérios de projeto, a exemplo de Perondi e Guenther,

1999 e Surgenor, 1995, foram adotados os valores de 0,2s para o tempo de assentamento

(critério de 2%) e 1,5% para o máximo sobrepasso, resultando em 𝑆1 = 866,7 e 𝑆2 = 47,1 e

𝑆3 = 1.

Conforme Perondi, 2002, o projeto de um controlador por modos deslizantes pode

resultar em um controlador inadequado devido ao excessivo chatering no sinal de controle,

sendo uma alternativa modificar a lei de controle e incluir a camada limite. Desta forma o

valor da camada limite, assim como os valores de ganhos (𝑆1, 𝑆2 e 𝑆3) foram determinados

através de ensaios experimentais, tendo como com base os melhores resultados para um

compromisso entre os menores erros de posição, a redução do efeito de chattering e a redução

da excitação de dinâmicas não modeladas por efeitos de ruídos, provenientes do sistema de

aquisição de dados e de derivação do sinal de posição; resultado nos ganhos 𝑆1 = 1350,

𝑆2 = 10, 𝑆3 = 0.5 sendo a largura da camada limite (boundary layer) implementada

Page 90: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

72

conforme descrito na Equação 5.2 com valor estabelecido como 𝜑 = 10. A Figura 5.5

apresenta o diagrama de blocos do controlador por modos deslizantes (SMC).

Figura 5.5 – Diagrama de blocos – controle por modos deslizantes

5.4.2.1 Filtro Digital IIR – Velocidade e Aceleração

A obtenção dos valores de velocidade e aceleração por processos indiretos de cálculo

numérico (ou seja, por derivações do sinal de posição) é outra fonte de ruído que impacta

diretamente na qualidade do controle. Neste sentido, a aplicação de filtros digitais IIR para os

sinais obtidos tem por objetivo a redução destes ruídos, melhorando a qualidade do sinal

aplicado ao algoritmo de controle de forma a suavizar a atuação do controlador sobre a

válvula proporcional. A Tabela 5.2 especifica as características dos filtros implementados.

Tabela 5.2 – Características do filtro digital para dados de velocidade e aceleração

Parâmetro Velocidade Aceleração

Tipo Digital - IIR Digital - IIR

Desenho Buttherworth Buttherworth

Ordem 1 1

Frequência de corte 30 Hz 20 Hz

Resposta em frequência Passa-baixas Passa-baixas

Os valores de frequência de corte foram escolhidos através da realização de ensaios

experimentais com a utilização de diferentes frequências. Para o ajuste foi considerado, a

Page 91: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

73

exemplo de Cukla, 2012, o compromisso entre o nível de ruído aceitável e a instabilidade

(oscilações) introduzida no sistema por atrasos relativos aos filtros na medida dos sinais.

5.4.3 Referências de Trajetória Utilizadas

Como trajetórias de referência nos experimentos realizados foram utilizadas duas

curvas ao longo do tempo: uma trajetória senoidal e uma polinomial, a exemplo de Perondi,

2002 e Sobczyk Sobrinho, 2009. A trajetória senoidal é representada pela Equação 5.3:

𝑦𝑑(𝑡) = + 𝑦𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) (5.3)

onde é o valor médio da trajetória desejada, 𝑦𝑚𝑎𝑥 é a amplitude e 𝜔 é a frequência de

oscilação. Os valores numéricos adotados são = 0,5𝑚, 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 0,3𝑚 e 𝜔 = 2𝑟𝑎𝑑/𝑠,

respectivamente. Na Figura 5.6 o gráfico que apresentada a representação da trajetória de

referência senoidal.

Figura 5.6 – Trajetória de referência senoidal

A trajetória polinomial foi utilizada para aproximar o comportamento de uma função

do tipo salto unitária por meio de uma curva contínua [Sobczyk Sobrinho, 2009], de forma a

garantir a parada nos fins de curso para que as características de regime pudessem ser

analisadas [Cukla, 2011]. Nos experimentos, a trajetória polinomial é representada pela

Equação 5.4:

Page 92: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

74

𝑦𝑑(𝑡) =

0,2 + 𝑦𝑑𝑝(𝑡/2)

0,80,8 + 𝑦𝑑𝑝((𝑡 − 4)/2)

0,2

𝑡 < 22 ≤ 𝑡 < 44 ≤ 𝑡 < 66 ≤ 𝑡 < 8

(𝑚)

(5.4)

onde, o termo 𝑦𝑑𝑝 é dado por:

𝑦𝑑𝑝(𝑡) = −12𝑡7 + 42𝑡6 − 50,4𝑡5 + 21𝑡4 (5.5)

Neste caso, a posição inicial do pistão é definida em 0,2𝑚 a partir de uma das

extremidades (𝑦𝑑(0) = 0,2𝑚). O pistão deve permanecer nesta posição durante um período

de 2 segundos e, a seguir, em um intervalo de 0,5 segundos, ocorre um deslocamento para a

posição 𝑦𝑑(1) = 0,8𝑚 (posição a 0,2𝑚 da outra extremidade) de acordo com a curva

polinomial descrita por meio da Equação 5.5. Novamente, o pistão deve permanecer nesta

posição durante 2 segundos, quando é iniciado o movimento de retorno, também respeitando a

curva polinomial anterior, repetindo o ciclo em intervalos de dois segundos entre um

deslocamento e outro. Na Figura 5.7 está o gráfico que representa a trajetória polinomial de

referência.

Figura 5.7 – Trajetória de referência polinomial

Os coeficientes do polinômio de sétima ordem, bem como a frequência da trajetória

senoidal foram escolhidos por Perondi, 2002, de forma a se requerer a velocidade de 0,9𝑚/𝑠,

próxima ao limite máximo estabelecido pelo fabricante do cilindro (ver Tabela 4.5).

Page 93: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

75

5.4.4 Compensação da Zona Morta da Servoválvula Proporcional

A zona morta é caracterizada como uma situação onde uma faixa de valores de sinal de

entrada não produz qualquer efeito na saída [Salim et al., 2014]. Para redução de erros no

seguimento de trajetória e de posicionamento, ocasionados por efeitos de assimetria no

controle de vazão da servoválvula proporcional, a zona morta foi compensada para o

controlador PID. A compensação foi realizada através da soma de valores fixos de

compensação nos sinais de controle de acordo com a direção de abertura da válvula [Perondi e

Guenter, 2000], considerando os diferentes regimes (estacionário e transiente) das trajetórias

de referência.

Para o regime transiente das trajetórias senoidal e polinomial, o sinal de controle

efetivo (𝑢𝑒𝑓𝑒𝑡) é descrito pelas Equações 5.6 e 5.7:

𝑢𝑒𝑓𝑒𝑡 = 𝑘 + 𝑢(𝑡) + 𝑧𝑚1 → 𝑢 > 0 (5.6)

𝑢𝑒𝑓𝑒𝑡 = 𝑘 + 𝑢(𝑡) − 𝑧𝑚2 → 𝑢 < 0 (5.7)

onde 𝑘 é o valor de tensão de centro da válvula, 𝑢(𝑡) é o sinal de controle originado pelo

algoritmo, 𝑧𝑚1 e 𝑧𝑚2 são os valores de tensão estabelecidos como zona morta. Neste trabalho

os valores utilizados para os parâmetros são: 𝑘 = 5,1𝑉, 𝑧𝑚1 = 0,78 𝑉 e 𝑧𝑚2 = 0,95 𝑉. Estes

valores foram obtidos experimentalmente por meio dos ensaios realizados para a sintonia de

malha no controlador PID, sendo que a aplicação destes valores à servoválvula proporcional

permite a manutenção de uma velocidade mínima de movimento do êmbolo, a fim de

minimizar respostas oscilatórias ocasionadas por efeito stick-slip, de atrito e por ruídos do

sistema de instrumentação.

Para o regime estacionário, onde há a permanência do pistão em uma posição fixa

durante um intervalo de tempo (trajetória polinomial, Seção 5.4.3), o sinal de controle efetivo

(𝑢𝑒𝑓𝑒𝑡) é descrito pelas Equações 5.8, 5.9, 5.10 e 5.11.

𝑢𝑒𝑓𝑒𝑡 = 5,35𝑉 → 𝑠𝑒 5,0𝑉 ≥ 𝑢(𝑡) ≤ 5,35𝑉 𝑒 𝑦(𝑡) = 0.20 (5.8)

𝑢𝑒𝑓𝑒𝑡 = 4,65𝑉 → 𝑠𝑒 5,0𝑉 ≤ 𝑢(𝑡) ≥ 4,65𝑉 𝑒 𝑦(𝑡) = 0.20 (5.9)

𝑢𝑒𝑓𝑒𝑡 = 5,35𝑉 → 𝑠𝑒 5,0𝑉 ≥ 𝑢(𝑡) ≤ 5,35𝑉 𝑒 𝑦(𝑡) = 0.80 (5.10)

𝑢𝑒𝑓𝑒𝑡 = 4,65𝑉 → 𝑠𝑒 5,0𝑉 ≤ 𝑢(𝑡) ≥ 4,65𝑉 𝑒 𝑦(𝑡) = 0.80 (5.11)

Page 94: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

76

onde, 𝑢(𝑡) é o sinal de controle originado pelo algoritmo e 𝑦(𝑡) é o valor da posição do

êmbolo. Da mesma forma que os valores de zona morta, estes valores foram obtidos de

maneira experimental e representam a tensão mínima aplicada a servoválvula para iminência

do movimento do êmbolo, sendo que proporcionam resposta de regime com menor oscilação

nos períodos de baixa velocidade do êmbolo durante a troca do regime estacionário para o

transiente.

O capítulo que segue apresenta os resultados obtidos na medição do tempo de

execução de cada task programada no looping de controle além dos resultados obtidos no

seguimento de trajetória para as duas estratégias de controle nas referências adotadas.

Page 95: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

77

6 RESULTADOS

Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos através dos ensaios realizados na

bancada experimental. Primeiramente, são apresentados os resultados referentes à medição

dos tempos de execução dos laços de controle.

Posteriormente, são apresentados os resultados experimentais em malha fechada,

sendo incialmente considerados os resultados obtidos com a aplicação do controle PID,

seguidos do controle SMC, para as trajetórias senoidal e polinomial. Por fim são apresentadas

as análises comparativas dos resultados obtidos em termos de amplitudes de erro com relação

a trabalhos similares que se valem das mesmas estratégias de controle, porém, utilizando

diferentes hardwares de controle.

6.1 Tempo de Execução do Laço de Controle

Os resultados referentes aos tempos de execução das tarefas programadas (controle e

comunicação de dados), medidos com um analisador lógico modelo AL24 da marca Seleae,

que opera com frequência de amostragem de 24 MHz e possui precisão de ±24 ns, permitiram

a verificação da manutenção e estabilidade das repetições dos ciclos de controle em intervalos

regulares de 1 ms, durante o processo de execução de ambos algoritmos de controle

programados, evidenciando a efetividade da atuação do sistema operacional de tempo real no

controle e manutenção dos tempos programados de execução dos algoritmos.

A Tabela 6.1 apresenta os valores estatísticos referentes aos tempos de looping de

controle medidos para as estratégias PID e SMC.

Tabela 6.1 – Tempos de execução dos looping de controle em milissegundos

Tempo (ms) PID SMC

Mínimo 1,000125 1,000167

Máximo 1,000417 1,000417

Média ciclo controle 1,000276 1,000276

Desvio padrão ± 8.9 x 10-5

± 2.1 x 10-5

Page 96: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

78

6.1.1 Controlador PID

A Figura 6.1 apresenta a o resultado da medição do tempo de execução em sequência

de dois ciclos de controle pelo controlador, além de indicar as taxas de ocupação de cada

núcleo do processador para execução de cada uma das tarefas programadas, sendo para a

amostra, a ocupação de 29,35% do ciclo de 1 ms para a tarefa de controle, enquanto que a

tarefa de envio de dados utiliza 21,85%.

É possível também identificar o sincronismo entre as duas diferentes tarefas,

relacionado à finalização de envio de informações por filas de mensagens do laço de

processamento da tarefa de controle em relação à tarefa de comunicação USB.

Figura 6.1 – Tempos de ciclos de controle e taxas de ocupação de processadores para o

controlador PID

A Tabela 6.2 apresenta a os valores estatísticos dos tempos de execução das tarefas

programadas.

Tabela 6.2 – Tempos de execução das tarefas do algoritmo PID em milissegundos

Tempo (ms) task_controle task_usb

Mínimo 0,285624 0,217542

Máximo 0,293669 0,24450

Média Ciclo Controle 0,289464 0,228325

Desvio Padrão ± 3,7234 x 10-3

± 9,0356 x 10-3

Page 97: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

79

6.1.2 Controlador por Modos Deslizantes (SMC)

A Figura 6.2 apresenta os resultados da medição dos ciclos de controle e taxas de

ocupação de processadores para o controlador por Modos Deslizantes. Para este controlador,

os valores encontrados na amostra são de 30,07% para o processamento do algoritmo de

controle e 25,18% para o envio de dados via USB. Da mesma forma como identificado para o

controle PID, é verificado o sincronismo entre as diferentes tarefas.

Figura 6.2 – Tempos de ciclos de controle e taxas de ocupação de processadores para o

controlador por Modos Deslizantes

A Tabela 6.3 apresenta a os valores estatísticos dos tempos de execução das tarefas

programadas.

Tabela 6.3 – Tempos de execução das tarefas do algoritmo SMC em milissegundos

Tempo (ms) task_controle task_usb

Mínimo 0,302542 0,240125

Máximo 0,300291 0,296208

Média Ciclo Controle 0,301353 0,270647

Desvio Padrão ± 8,32 x 10-4

± 2,08 x 10-2

Page 98: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

80

6.2 Resultados Obtidos no Seguimento de Trajetórias

Os resultados apresentados nas próximas seções correspondem aos ensaios realizados

com a plataforma de controle desenvolvida neste trabalho. Para esta tarefa, as estratégias de

controle PID e SMC descritas nas seções 4.4.1 e 4.4.2 foram testadas utilizando as trajetórias

senoidal e polinomial de 7ª ordem descritas na Seção 5.4.3.

6.2.1 Controle PID

Para realização dos ensaios de controle por meio da técnica PID, os ganhos utilizados

são: 𝐾𝑝 = 38,01, 𝐾𝑖 = 3,22, 𝐾𝑑 = 0.89. Estes valores foram sintonizados experimentalmente

a partir dos resultados de diversos ensaios e correspondem aos menores erros de seguimento

de trajetória para as diferentes referências utilizadas. A pressão de trabalho ajustada na

válvula de controle de pressão e utilizada para todos os ensaios foi de 0,6 MPa (6 bar).

6.2.1.1 Trajetória Senoidal - PID

A Figura 6.3 apresenta os resultados típicos obtidos nos experimentos, onde pode-se

observar a posição e a trajetória de referência em função do tempo.

Figura 6.3 – Seguimento de posição para o controle PID com referência senoidal

Page 99: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

81

A Figura 6.4 apresenta o erro de trajetória entre a referência e a posição medida

enquanto que sinal de controle correspondente aplicado à válvula pode ser visualizado na

Figura 6.5.

Figura 6.4 – Erros de seguimento de trajetória para o controle PID com referência senoidal

Figura 6.5 – Sinal de controle aplicado à válvula de controle direcional gerado pelo

controlador PID para referência senoidal

Page 100: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

82

Observa-se na Figura 6.4 que os valores de erro máximos entre +2,75 cm e -2,61 cm.

Nota-se também que os erros máximos ocorrem nas extremidades das trajetórias, próximo às

regiões de troca de sentido de movimento, locais onde a velocidade de deslocamento é

relativamente baixa. Isto indica a forte influência da força de atrito estático no comportamento

do sistema.

Na Figura 6.5, é possível verificar, através do formato do sinal aplicado, a presença de

ruídos provindos do sistema de instrumentação e/ou de origem eletrostática, os quais não

foram completamente suprimidos pelo sistema de filtros incorporados no sistema. Nota-se

também o efeito da compensação da zona-morta da válvula proporcional no sinal de controle

conforme descrito na Seção 5.4.4, onde são aplicados valores de tensão à válvula proporcional

que objetivam a manutenção mínima de movimento do êmbolo do pistão, com o objetivo de

dirimir efeitos transitórios ocasionados por atrito no sistema, embora estes efeitos não tenham

sido completamente eliminados por esta estratégia.

6.2.1.2 Trajetória Polinomial de 7ª Ordem - PID

Para os ensaios com a trajetória polinomial de 7ª ordem, foram mantidas as mesmas

características de sintonia (ganhos do controlador e valores para zona-morta) utilizados nos

ensaios de trajetória senoidal, descritos na seção anterior. Os resultados para o seguimento de

trajetória obtidos podem ser observados na Figura 6.6.

Os erros máximos de trajetória medidos entre a referência polinomial e a posição estão

contidos na faixa de valores entre 2,77 cm e -3,04 cm durante o regime transiente e na faixa

de 0,638 cm a 0,145 cm no regime estacionário. A Figura 6.7 apresenta os resultados em

termos de erro de seguimento de posição enquanto que a Figura 6.8 apresenta o respectivo

sinal de controle.

Nota-se que, da mesma forma como ocorrido no caso da trajetória senoidal, os picos

de erro ocorrem nos trechos de início e fim de movimento, onde as velocidades de

deslocamento são reduzidas. Desta forma, caracteriza-se a forte influência do atrito no

desempenho para o seguimento de trajetórias.

Page 101: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

83

Figura 6.6 – Seguimento de trajetória para o controle PID com referência polinomial de 7ª

ordem

Figura 6.7 – Erros de seguimento de trajetória para o controle PID com referência polinomial

Page 102: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

84

Figura 6.8 – Sinal de controle aplicado à válvula de controle direcional gerado pelo

controlador PID para referência polinomial

Observa-se no sinal de controle (Figura 6.8) a faixa de tensão relacionada à

compensação da zona morta da válvula. Nos períodos de tempo relacionados ao regime

estacionário, o valor aplicado à válvula de controle gerado pelo algoritmo é semelhante para

ambos posicionamentos do êmbolo à extremidade do atuador (5,35 V). Na faixa dos 6 a 8

segundos, é registrada a presença de transições de sinal de saída, causadas pela presença de

ruído (provindo do sensoriamento de posição, proveniente de natureza estática), o qual não foi

completamente eliminado pelo sistema de filtros analógicos e digitais implementados.

6.2.2 Controle por Modos Deslizantes (SMC)

Para realização dos ensaios de controle por meio da estratégia de controle por modos

deslizantes através do hardware implementado, foram utilizados os ganhos 𝑆1 = 1350,

𝑆2 = 10, 𝑆3 = 0.5 e largura da camada limite com o valor 𝜑 = 10.

Da mesma forma como realizado no controlador PID, estes valores foram sintonizados

experimentalmente a partir dos resultados de diversos ensaios e correspondem aos menores

erros de seguimento de trajetória para as diferentes referências utilizadas.

Page 103: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

85

6.2.2.1 Trajetória Senoidal – SMC

A Figura 6.9 apresenta o resultado para o seguimento de trajetória para a referência

senoidal para o controle por modos deslizantes, enquanto que a Figura 6.9 apresenta os

respectivos erros máximos de seguimento de trajetória.

Observa-se na Figura 6.8, quando comparada aos resultados do controlador PID, a

ocorrência de uma redução significativa dos efeitos do atrito no comportamento do sistema

nos pontos de troca de sentido de movimento e nas zonas de baixa velocidade.

Esta ocorrência corrobora a característica do controlador por modos deslizantes de

apresentar menor sensibilidade às variações paramétricas da planta, uma vez que por conta

das não-linearidades presentes nos sistemas pneumáticos, os seus efeitos alteram a dinâmica

da planta de forma não-linear em função dos valores que seus estados assumem ao longo do

tempo.

Nota-se através da Figura 6.10 que a maioria dos valores do erro estão contidos na

faixa de ± 1 cm; sendo os valores de pico entre +1,26 cm e -0,86 cm, neste caso, não

relacionados ao erro de seguimento e sim, possivelmente relacionados a ruídos provindos do

sistema de sensoriamento de posição.

Figura 6.9 – Seguimento de posição para o controle por modos deslizantes com referência

senoidal

Page 104: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

86

Figura 6.10 – Erros de seguimento de trajetória para o controle por modos deslizantes com

referência senoidal

Na Figura 6.11 é apresentado o sinal de controle aplicado à válvula de controle. Nesta

é possível observar a as oscilações associadas ao chaveamento do controlador, característica

relacionada ao SMC.

Figura 6.11 – Sinal de controle aplicado à válvula de controle direcional gerado pelo

microcontrolador para referência senoidal

Page 105: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

87

6.2.2.2 Trajetória Polinomial de 7ª Ordem - SMC

A Figura 6.12 apresenta o resultado para o seguimento de trajetória para a referência

polinomial para o controle por modos deslizantes.

Figura 6.12 – Seguimento de posição para o controle por modos deslizantes com referência

polinomial de 7ª ordem

Observa-se na Figura 6.12, da mesma forma como para a trajetória senoidal, a redução

dos efeitos do atrito no comportamento do sistema, nos pontos de troca de sentido de

movimento e nas zonas de baixa velocidade.

A Figura 6.13 apresenta os erros de seguimento de trajetória. Os valores de erro

medidos durante o regime estacionário encontram-se na faixa de faixa de +0,31 cm e -0,05 cm

enquanto que durante o regime transiente, os valores possuem picos de +1,15 cm e -0,88 cm.

Estes valores máximos observados também podem ser atribuídos à ruídos estáticos provindos

do sistema de aquisição de dados e a ruídos elétricos de natureza ambiental.

Por fim, a Figura 6.14 apresenta o sinal de controle aplicado à válvula. Nesta imagem

é possível observar os efeitos do ruído da aquisição de dados para a válvula de controle; no

trecho entre os tempos 2s e 4s (Figura 6.13) é possível observar um valor de pico máximo

(+1,15 cm) provindo do sistema de medição da posição e a consequente ação do sinal de

controle para correção do erro (Figura 6.14).

Page 106: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

88

Figura 6.13 – Erros de seguimento de trajetória para o controle por modos deslizantes com

referência polinomial

Figura 6.14 – Sinal de controle aplicado à válvula de controle direcional gerado pelo

microcontrolador para referência polinomial

Page 107: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

89

6.3 Discussões sobre os Resultados Obtidos

Os resultados referentes à manutenção do tempo de ciclo de 1 milissegundo,

apresentados na Seção 6.1, para ambos algoritmos de controle implementados, além do

sincronismo interdependente entre as duas tarefas, demonstram a eficiência e eficácia do

sistema operacional de tempo real FreeRTOS como base para a implementação de algoritmos

de controle cuja necessidade de temporizações restritas quanto ao tempo de resposta do

controlador são essenciais.

Da mesma forma, a medida dos tempos de utilização dos núcleos de processamento do

microcontrolador ESP32, para execução das tarefas programadas (controle e comunicação)

totalizando tempos inferiores ao tempo de ciclo total programado, conforme apresentado nas

Tabelas 6.2 e 6.3, indicam a capacidade e velocidade computacional do dispositivo, validando

o seu uso para aplicações de controle.

Neste conjunto, a programação de diferentes estratégias de controle na plataforma

desenvolvida permitiu a avaliação do desempenho do sistema, considerando valores erro de

posicionamento no controle de uma planta de testes. A comparação entre os resultados

obtidos, a partir da sintonia realizada experimentalmente, possibilita identificar as

características típicas dos controladores, como a maior suscetibilidade a efeitos não lineares

(como a força de atrito em regiões de baixas velocidades) no controlador PID e a maior

robustez do controlador por modos deslizantes (SMC) contra variações paramétricas da

planta. Para melhor visualização dos dados de erro de seguimento obtidos entre os diferentes

experimentos, a Tabela 6.4 apresenta um resumo destes valores.

Tabela 6.4 – Relação dos resultados no erro de seguimento de trajetória

Controlador Trajetória de

referência

Faixa de erro máximo no

período transiente (cm)

Faixa de erro máximo no

período estacionário (cm)

PID Senoidal +2,75 a -2,61 -

PID Polinomial 7ª

ordem +2,77a -3,04 0,63 a 0,14

SMC Senoidal +1,26 a -1,86 -

SMC Polinomial 7ª

ordem 1,15 e -0,88 +0,31 e -0,05

Entretanto, os gráficos apresentados na Seção 6 indicam a presença de ruídos

provenientes do sistema de instrumentação utilizado para aquisição do sinal de posição, os

Page 108: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

90

quais não foram suprimidos pelo sistema. Por serem intermitentes, verifica-se a necessidade

de estudos mais detalhados sobre as frequências e origem dos ruídos e consequentemente a

aplicação de estratégias analógicas e digitais de atenuação, além de utilização de técnicas de

proteção de circuitos e instrumentos contra interferências eletromagnéticas. Estes estudos

deverão ser realizados em trabalhos futuros visando à melhoria das características de

aquisição de dados e supressão de ruídos nas medidas de posição. Com isso, espera-se um

consequente aumento da precisão de seguimento de trajetória do sistema.

Page 109: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

91

7 CONCLUSÕES

Diante do desafio inicialmente proposto (apresentado na Seção 1.3) para o trabalho de

controlar um servoposicionador pneumático por meio de um hardware de baixo custo, a partir

das pesquisas realizadas durante a revisão bibliográfica, cujas soluções apontavam para a

aplicação de técnicas de controle por algoritmos de média e alta complexidade, foi possível

perceber a necessidade de desenvolvimento de um dispositivo de controle digital para

servoposicionadores que, além do baixo custo, agregasse características de flexibilidade e

desempenho adequados, bem como alto poder de processamento computacional e capacidade

de fornecer suporte para operações em ciclos de controle com alta precisão temporal, de

acordo com os conceitos de controle em tempo real.

Neste sentido, a opção pela utilização de um microcontrolador, neste caso, o

microcontrolador ESP32, em operação conjunta ao sistema operacional de tempo real

FreeRTOS, além de fornecer a precisão temporal necessária para o ciclo de controle desejado

de 1ms, apresenta vantagens associada à disponibilidade de uma interface de gravação de

firmware via USB, à possibilidade de utilização de software livre e gratuito e também

referentes à utilização compiladores, ferramentas e bibliotecas compatíveis com outras

plataformas de desenvolvimento, fornecidos tanto pelo fabricante quanto por uma grande

comunidade de desenvolvedores de software independentes.

Para integralização dos demais objetivos (apresentados na Seção 1.4), foi realizada a

instrumentação de uma bancada experimental de um servoposicionador pneumático. Para

tanto, foi necessária a construção de interfaces de condicionamento de sinais para os sensores

de posição e de pressão, necessitando de aplicação de técnicas específicas para atenuação e

adequação da potência do sinal provindo dos sensores, além da redução de ruídos

provenientes do ambiente e de instrumentação por filtros e estágios de amplificação

diferencial. Foi necessário também realizar a calibração das faixas de operação para

compatibilização com conversores AD integrados. Para o acionamento da servoválvula

direcional foi necessário o desenvolvimento de um driver de potência, com o objetivo de

realizar a amplificação e adequação do sinal de controle à potência necessária para o

acionamento da servoválvula.

Posteriormente à montagem e interligação dos dispositivos desenvolvidos à bancada,

foi realizado o projeto e aplicação de dois algoritmos de controle sob regras de programação

do sistema FreeRTOS, um PID e outro por modos deslizantes com o objetivo de verificação

Page 110: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

92

do desempenho para o seguimento de trajetórias. Para avaliação comparativa do desempenho

foram testadas trajetórias senoidais e polinomiais. Os resultados apresentados referente aos

erros máximos obtidos através dos testes experimentais evidenciaram a qualidade do

desempenho controlador por modos deslizantes frente ao desempenho do controlador PID,

porém, ambos mostraram a capacidade e eficácia da arquitetura de hardware proposta para

aplicação no controle de um servoposicionador pneumático. A partir dos resultados

apresentados no capítulo 6, é possível concluir que todas as tarefas propostas foram realizadas

com êxito.

Pode-se destacar os seguintes pontos com relação à solução desenvolvida:

a) Tempo de ciclo: as medidas apresentadas na Seção 6.1 referentes ao ciclo de

controle mostram que o sistema executa as instruções relativas às tarefas de laços

(ciclos) de controle em intervalos fixos e rígidos de 1ms, conforme definido no

sistema via software. Esta característica é baseada nos resultados para os dois

controladores implantados com os respectivos tratamentos de dados.

Evidentemente, novas avaliações são necessárias para o caso de outros

controladores mais exigentes em termos de necessidade de processamento;

b) Flexibilidade: a possibilidade de pronta reprogramação das características de

funcionamento por firmware e ajustes de software de diferentes estratégias de

controle, via interface USB.

Finalmente, conclui-se que os resultados do presente trabalho colaboram com a

aplicação de tecnologias que permitam a ampliação e popularização do uso de

servoposicionadores pneumáticos para aplicações industriais.

7.1 Trabalhos Futuros

Como sugestão de trabalhos futuros para o desenvolvimento de plataformas de

controle, tem-se os seguintes pontos para serem abordados:

a) Técnicas de redução de ruídos provenientes da instrumentação ou meio

ambiente: realização de estudos de compatibilidade e blindagem eletromagnética

visando à redução de ruídos. Isso permitirá uma melhor leitura das variáveis

analógicas, com consequente redução da frequência de corte de filtros analógicos e

digitais, diminuindo o atraso dos sinais em um ciclo de controle;

Page 111: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

93

b) Utilização de sensores digitais para posicionamento: utilização de sensores de

posição digitais, como um encoder óptico ou de sistemas sem contato, como as

técnicas eletro e magneto estrictivas ou laser na determinação de distâncias pode ser

uma estratégia adequada para obtenção de medidas de posicionamento com maior

precisão e em formato digital, atenuando a presença de ruídos ou incertezas referentes

ao processo de conversão analógico-digital;

c) Desenvolvimento de interfaces gráficas para visualização simultânea dos

valores associados às variáveis de interesse no seguimento de trajetória:

desenvolvimento de uma interface visual para a avaliação instantânea das variáveis de

interesse do processo, como o seguimento de trajetória e erros máximos resultará em

maior rapidez no processamento dos resultados e no processo de sintonia da malha;

d) Modelagem matemática do sistema servopneumático a ser controlado

incluindo modelagem do atrito: existem diversos trabalhos desenvolvidos no

LAMECC (e encontrado também na bibliografia) sobre a modelagem matemática de

servoposicionadores pneumáticos. Uma vez caracterizados os valores dos parâmetros

da bancada desenvolvida, estes modelos poderão ser utilizados para a síntese e auxílio

à sintonia de controladores mais sofisticados que poderão ser programados e avaliados

na plataforma de hardware desenvolvida;

e) Análise estatística para os dados de erro de trajetória: utilização de técnicas

estatísticas para a determinação do erro médio e desvio padrão para os erros de

seguimento de trajetória, para as referências senoidal e polinomial;

f) Análise do sistema de medição: estudo do sistema de medição desenvolvido sob a

ótica de análise de propagação de erros e de cálculo da precisão da cadeia de medição.

Page 112: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

94

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APÊNDICE A – Circuito de Condicionamento de Sinais para o MCP3208 /

ESP32

No circuito de condicionamento de sinais elaborado para adequação dos níveis de

potência elétrica (tensão e corrente) provindo dos dois transdutores de pressão e da régua

potenciométrica em relação aos valores admitidos para operação do conversor analógico

digital MCP3208, foi necessária a inclusão de blocos de circuitos eletrônicos adicionais com o

objetivo de melhorar o processo de aquisição dos sinais com a maior estabilidade, linearidade

e redução de ruídos no processo de aquisição de dados.

Para garantia de estabilidade de alimentação de tensão elétrica para os circuitos e

sensores ligados à planta, foi inserido estágio de regulagem de tensão elétrica a partir de

reguladores de tensão à circuito integrado, para as tensões de 24VDC, que alimenta os sensores

de pressão e régua potenciométrica, e 5VDC para alimentação dos circuitos ativos de isolação

de sinais, filtragem e demais componentes do condicionador. A Figura A.1 apresenta o

diagrama do estágio de regulação de tensão DC-DC.

Figura A.1 – Estágio para regulação de tensão elétrica

O segundo estágio, cuja função é de atenuação (redução) do sinal do sinal de entrada a

níveis adequados, é implementado por meio de um circuito denominado divisor resistivo.

Para este foram consideradas as seguintes premissas:

a) os níveis de tensão elétrica de saída da régua potenciométrica (Festo MLO-POT-

1000-TLF) variam de 0 a 24V conforme a posição do cursor sobre a régua, com

corrente elétrica máxima de 4mA [Festo, 2019];

Page 122: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

104

b) os sensores de pressão (Wika S-10) fornecem saída também proporcional ao

sinal medido com limites entre 0 e 10V com corrente elétrica de 1mA [Wika do

Brasil, 2019].

Na Figura A.2 é apresentada a configuração de circuito eletrônico proposta para a

adequação do sinal de tensão elétrica provindo da régua potenciométrica. Para permitir um ajuste

da atenuação do sinal de entrada, em função das possíveis variações de resistência por conta da

faixa de tolerância de resistores comerciais comuns (5%), um resistor variável (R303) foi colocado

em paralelo com o resistor R302 a fim de se obter a possibilidade de correção de tensão elétrica por

ajuste de resistor via hardware.

Figura A.2 – Circuito de atenuação de sinais

A tensão elétrica obtida na saída deste divisor resistivo pode ser obtida a partir da

Equação A.1.

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑅302 ∙ 𝑅303

𝑅301(𝑅302 + 𝑅303) + 𝑅302 ∙ 𝑅303 ∙ 𝑉𝑖𝑛 (A.1)

Ao todo, foram dimensionadas três entradas individuais para condicionamento dos

sinais de forma independente. Os resistores escolhidos para esta relação foram 𝑅301 = 47𝑘Ω,

𝑅302 = 47𝑘Ω e 𝑅303 = 50 𝑘Ω em formato de resistor variável (trimpot tipo multivoltas).

Estes valores de resistência elétrica no conjunto foram determinados de forma a garantir

níveis de corrente elétrica adequada para aplicação ao próximo estágio. Ao final do circuito

divisor resistivo, o sinal é aplicado a um de buffer ou amplificador isolador, formado pelo

componente IC3A, consistindo na utilização de um amplificador operacional na configuração

Page 123: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

105

de seguidor de tensão. Esta configuração é utilizada para conectar um estágio de alta

impedância a uma carga de baixa impedância, onde o sinal de saída apresenta exatamente as

mesmas características do sinal de entrada (valores de tensão à medida do tempo) sem

atenuações ou atrasos consideráveis no sinal. Amplificadores com buffer são utilizados para

isolar fontes de sinal de quaisquer efeitos de carga, sendo também úteis quando se trabalha

com fontes de sinal que possuem impedâncias internas elevadas [Schuler, 2013]. A relação de

sinais de entrada e saída em um seguidor de sinal obedece à Equação A.2.

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 (A.2)

O amplificador operacional utilizado nos estágios de isolação e filtragem é o

MCP6004 da fabricante Microchip Technology Inc. [Microchip, 2019], em função de suas

características elétricas e de operação compatíveis com as interfaces do conversor analógico-

digital MCP3208 [Microchip, 2008] e do microcontrolador ESP32 [Espressif, 2019], além da

facilidade de obtenção do componente no mercado nacional. A Tabela A.1 apresenta as

características observadas para a escolha deste componente.

Tabela A.1 – Características do amplificador operacional MCP6004 [Adaptado de Microchip,

2019]

Alimentação 1,8 a 6,0 VDC / 100 µA

N° amplificadores em um CI 4

Tensão mínima de entrada 4,5 mV

Corrente mínima de entrada 1 pA

Slew rate 0,6 V/µs

Largura de banda 1 MHz

Corrente saída por pino 30 mA

CMRR 80 dB

Por serem analógicos, os valores de tensão elétrica provindos dos sensores de posição

e de pressão podem estar contaminados por sinais interferentes ao circuito de diferentes

origens, como ruídos conduzidos (cabos, aterramento), irradiados ou artificiais (harmônicos

de rede elétrica, emissores de RF, comutação de circuitos de potência), naturais (descargas

atmosféricas), etc. Por estes motivos, foi incluído ao circuito um estágio de amplificador

diferencial em modo comum, que tem por objetivo de atenuar a entrada de sinais indesejados

Page 124: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

106

de mesma amplitude, frequência e fase atuantes em ambas entradas do amplificador

operacional. A Figura A.3 apresenta o circuito de amplificação diferencial.

Figura A.3 – Amplificador diferencial com rejeição de ruído em modo comum

O quarto estágio é composto de um filtro analógico passa-baixas com frequência de

corte de 200Hz, desenho Butherworth, com o intuito de redução do ruído produzido pelo

atrito entre componentes mecânicos da régua potenciométrica. A Tabela 4.11 (ver Seção

4.3.6) apresenta as características do filtro projetado, enquanto a Figura A.4 mostra o circuito

implementado.

Figura A.4 – Circuito filtro Butterworth implementado

O estágio de filtro analógico foi atribuído somente ao sinal provindo do sensor de

posição; para os sinais referentes às pressões das câmaras não foi atribuído o processo de

filtragem. O circuito representado pela Figura A.5 representa o circuito de condicionamento

implementado. Para este bloco, foram utilizados componentes comerciais (tolerâncias de

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107

capacitores e resistores na ordem de 5%), resistores variáveis tipo trimpot multivoltas, além

de uma unidade de amplificador operacional disponível no mesmo CI do MCP6004. Os

resistores variáveis foram calibrados para os valores de referência calculados pelo software.

Figura A.5 – Circuito de condicionamento de sinal para sensores de pressão

A frequência de corte e características do filtro utilizada nesta etapa consideraram o

compromisso entre o ruído aceitável e o atraso proporcionado ao sinal. A Figura A.6

apresenta a medição do atraso de tempo introduzido ao sistema pelo filtro analógico na ordem

de 500 µs. O atraso no sinal deve ser preferencialmente inferior a 1 ms em função da

frequência do ciclo de controle utilizado. Para realização desta medida foi utilizado o

osciloscópio Agilent, modelo DSO3062A – 60 MHz.

Figura A.6 – Atraso no sinal pelo estágio de filtro

Page 126: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

108

O último estágio, antes do envio do sinal ao componente de conversão analógico-

digital, corresponde identicamente ao amplificador isolador, já descrito anteriormente. O

diagrama completo implementado do condicionador desenvolvido pode ser verificado na

Figura A.7.

Figura A.7 – Diagrama completo do condicionador de sinais

Page 127: ARQUITETURA MICROCONTROLADA PROGRAMÁVEL EM TEMPO …

109

APÊNDICE B – Circuito Driver para Acionamento da Servoválvula

Com o objetivo de garantir a qualidade e estabilidade da alimentação de energia para

os componentes eletrônicos do circuito e também com o intuito de diminuir ruídos elétricos

por chaveamento foi inserido no projeto dois estágios de regulagem de tensão elétrica

(regulagem DC-DC) a partir de reguladores de tensão em circuito integrado (LM7824 e

LM7812), para as tensões de 24 VDC e 12 VDC respectivamente. Os capacitores de filtro (0.33

µF e 0.1 µF) para estabilização do sinal da fonte são recomendados pelo fabricante, conforme

informações de datasheet (folha de dados) dos reguladores. Um led também foi adicionado à

fonte de 12 VDC como indicador visual do funcionamento do circuito. A Figura A.8 mostra o

diagrama esquemático do regulador de tensão de alimentação da placa.

Figura A.8 – Esquema do regulador DC-DC

O segundo e o quarto estágio do driver consistem no arranjo de amplificador de ganho

unitário (seguidor de tensão ou buffer), que tem o objetivo de isolar eletricamente o sinal

provindo do controlador eletrônico, além de garantir o casamento de impedância entre sinais

de saída do controlador digital e o driver. No terceiro estágio, o ampop (amplificador

operacional) é configurado como amplificador não inversor, sendo que o trimpot (resistor

variável 𝑅32) permite o ajuste do ganho deste estágio de acordo com o valor desejado na

saída. O amplificador operacional sob a configuração de amplificador não inversor apresenta

comportamento de acordo com a Equação A.3.

𝑉𝑜𝑢𝑡 = (1 +𝑅32

𝑅31) 𝑉𝑖𝑛 (A.3)

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110

Neste trabalho, o valor do resistor fixo 𝑅31 = 100Ω e do resistor variável 𝑅32 =

35,8𝑘Ω foi determinado para que fosse possível o ajuste manual do ganho para valores

aproximados na ordem de ~3,3 × , de forma a garantir amplitude de tensão elétrica

proporcional de 0 a 10V na saída do bloco. A Figura A.9 apresenta os estágios implementados

para adequação e ajuste do sinal antes da etapa de amplificação de potência.

Figura A.9 – Isolação e amplificação do sinal gerado pelo microcontrolador

Para as etapas de amplificação e isolação de sinal / buffer, foi utilizado o ampop

LM324 da fabricante Texas Instruments Inc., em função de oferecer características de

funcionamento adequadas ao projeto em diferentes configurações, além de possuir 4

amplificadores em um mesmo CI, o que colabora com a redução do tamanho físico necessário

para acomodação dos componentes em placas de circuito impresso [Texas Instruments, 2017].

A Tabela A.2 descreve as principais características deste componente.

Tabela A.2 – Características do ampop LM324 [Adaptado de Texas Instruments, 2017].

Alimentação 3 a 32 VDC / 700 µA

N° amplificadores em um CI 4

Tensão mínima de entrada 2 mV

Corrente mínima de entrada 5 nA

Slew rate 0,5 V/µs

Largura de banda 1 MHz

Corrente saída por pino 30 mA

O sinal do microcontrolador amplificado e isolado eletricamente é aplicado a quinta e

última etapa, denominada etapa de potência, na qual se utiliza de um circuito em arranjo de

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111

amplificadores classe AB. Os amplificadores classe AB produzem uma distorção mínima e

rendimento razoável [Schuler, 2013] e são apropriados para produzir na saída, sobre a carga, o

efeito combinado das correntes de coletor, de forma a garantir níveis de corrente elétrica

necessários para o acionamento da servoválvula. Os dois transistores TIP31 e TIP32 são

dispositivos complementares (NPN e PNP) que possuem boa simetria operacional. O

diagrama esquemático do estágio de potência pode ser visualizado na Figura A.10.

Figura A.10 – Circuito de potência em arranjo de amplificador classe AB

Os demais componentes utilizados nesta implementação (resistores, capacitores,

diodos, trimpots) são de uso comum no segmento eletrônico, de baixa potência e com

tolerância nominal a ordem de 5%.

Para realização de testes no driver desenvolvido, foi aplicado um sinal de entrada em

formato tipo dente de serra em rampa ascendente, range de tensão entre 0 e +3 Vdc, com

frequência de 1 kHz, permitiram a observação da linearidade correspondente da etapa de

amplificação. A Figura 55 demonstra a plotagem do sinal de saída amplificado em razão de 0

a +10 Vdc, enquanto no quadro inferior da mesma imagem é verificado o sinal aplicado à

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112

entrada. Em análise dos dados adquiridos sobre os valores numéricos dos sinais de tensão,

permitiram a determinação da correlação média do ganho deste estágio em um valor de 3,15×.

Foi identificado um erro médio de +0,14 VDC (cerva de 1,45%) referente a não linearidade da

rampa de subida após a amplificação. É possível observar a estimativa da distorção do sinal

nos regimes de ciclo ativo / inativo em 3,5%; dado que pode ser analisado em relação a

flutuações médias causadas por eventuais ruídos na geração de sinal de entrada. Para

realização desta medida foi utilizado o osciloscópio Agilent, modelo DSO3062A – 60 MHz

além de um gerador de funções marca Rigol, modelo DG2041A de 40 MHz.

Figura A.11 – Linearidade do sinal de saída (gráfico superior) amplificado em relação ao sinal

de entrada (gráfico inferior)

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113

APÊNDICE C – Custos de Aquisição de Componentes

A Tabela A.3 apresenta os valores de aquisição dos componentes para a

implementação do controlador digital. Não serão incluídos nesta tabela os valores

relacionados a sensores de pressão, régua potenciométrica e demais componentes da banca

(atuador, regulador de pressão, etc.).

Tabela A.3 – Custos dos componentes do controlador digital

Componente Qtde R$ Unit. R$ Total

Microcontrolador - ESP32 1 PC R$ 49,90 R$ 49,90

Conversor analógico digital - MCP3208 1 PC R$ 23,00 R$ 23,00

Amplificador operacional - MCP6004 3 PC R$ 12,00 R$ 36,00

Amplificador operacional - LM324 2 PC R$ 3,60 R$ 7,20

Reg. Tensão – (LM7805 / LM7812 / LM7824) 4 PC R$ 2,50 R$ 10,00

Transistores Darlington - TIP31C / TIP32C 2 PC R$ 2,80 R$ 5,60

Diodos Zener, de sinal e retificadores 3 PC R$ 0,20 R$ 0,60

Resistores diversos 32 PC R$ 0,10 R$ 3,20

Capacitores eletrolíticos / poliéster 17 PC R$ - R$ 16,60

Potenciômetros / Trimpot 8 PC R$ 0,80 R$ 6,40

Diodos LED 5 mm 3 PC R$ 0,20 R$ 0,60

Conectores / Borne para PCI 8 PC R$ 0,90 R$ 7,20

Placa cobreada circuito impresso (10x15 cm) 2 PC R$ 4,90 R$ 9,80

Soquetes DIL (14 e 16 pinos) 5 PC R$ 0,50 R$ 2,50

Cabo blindado 2 vias 2 m R$ 2,80 R$ 5,60

Total R$ 186,20